Эвристика как наука. Задачи эвристического подхода к достижению идеального конечного результата

Творчество (в том числе и техническое) основано на происходящих в коре головного мозга человека процессах обработки информации, до настоящего времени не изученных в полной мере. Поэтому мы рассматриваем здесь не основы творчества, а лишь некоторые формализованные приемы, облегчающие поиск оптимальных решений технических задач. Аналогичные методы характерны и для решения научных задач (особенно в области технических наук, в частности, в современной радиоэлектронике).

Эвристика – наука о методах творчества. Ее основы были заложены еще в античное время в трудах Архимеда, Гераклита, Сократа, а в средние века – в работах Декарта, Лейбница, Бэкона.

Отец современной космонавтики К. Э. Циолковский, словно предугадывая открытие лазерной техники, ставил инженерную задачу сегодняшнего дня: организация космической связи с помощью параллельного пучка электромагнитных лучей с небольшой длиной волны, электрических или даже световых. В то время еще не было ЭВМ, но гениальный ученый справедливо и прозорливо предсказывал, что математика проникнет во все области знаний.

Надвигающиеся опасности «эколого-энергетического цейтнота» в сочетании с реальным фактом нехватки трудовых ресурсов и исключительной сложностью эколого-энергетических проблем требуют резкой интенсификации труда, причем в первую очередь труда интеллектуального, в сфере которого за предельно сжатые исторические сроки должны быть найдены кардинальные научно-технические решения типа новых экологически чистых энерготехнологий. И в этом направлении, безусловно, перспективна интенсификация труда ученых и инженеров на базе расширения технических возможностей ЭВМ. Но ЭВМ (даже самого высокого поколения) не в состоянии решать интеллектуальны задачи революционного научно-технического характера на уровне открытий и изобретений, на уровне крупных качественных скачков, которые обусловливают необходимость перестройки ориентации подготовки инженеров и магистров в период «эколого-энергетического цейтнота».

В последние 20...30 лет активно развивается новое научное направление, которое условно можно назвать научно-инженерной эвристикой, изучающее механизмы, алгоритмы, законы, методы работы творческого человеческого интеллекта и копирование принципов его работ на ЭВМ. Это нашло свое отражение в постановке новых дисциплин в высшей школе, в частности, дисциплины «Методологія та метрологічне забезпечення наукових досліджень». Задача сейчас фокусируется именно на проблеме модернизации научно-инженерной эвристики, сущность которой такова: научить специалистов генерировать максимум качественно новых идей при минимуме затрат рабочего времени, ресурсов, труда.

В настоящее время существует более 30 эвристических методик технического творчества. Перечислим наиболее распространенные из них и приведем в кратком изложении положения, на которых они базируются, а ниже рассмотрим их (и некоторые другие) подробнее и проиллюстрируем их примерами.

Ø Мозговой штурм. Этот метод называют также мозговой атакой или генерацией идей. Применяется для получения новых идей в науке, технике, административной и торговой деятельности.

Основные правила мозгового штурма таковы:

– задачу последовательно решают две группы участников – "генераторы идей" и "эксперты". В первой группе желательно иметь людей, склонных к фантазированию, во второй – людей с аналитическим, критическим складом ума;

– генерирование идей ведут, свободно высказывая любые идеи, в том числе явно ошибочные и шутливые. Регламент – минута или две. Идеи высказываются без доказательств и все записываются в протокол (или фиксируются магнитофоном);

– при генерировании идеи исключается всякая критика. В ходе штурма между его участниками должны быть установлены свободные и доброжелательные отношения. Желательно, чтобы идея, выдвинутая одним участником мозгового штурма, подхватывалась и развивалась другим;

– при экспертизе следует внимательно продумывать все идеи, даже те, которые кажутся явно ошибочными или несерьезными.

Обычно продолжительность его 20...40 мин, группа генераторов идей состоит из 5...10 человек. Такая группа может проводить и Обратный мозговой штурм: его участники ищут недостатки какого-либо устройства. Выявление недостатков дает возможность устранить их или поставить новые изобретательские задачи.

Известно несколько разновидностей мозгового штурма: письменный, индивидуальный, парный, массовый, двойной (проводится в два этапа, в перерыве ведется свободное обсуждение проблемы), поэтапный (последовательно штурмуются постановка задачи, решение, развитие идеи в конструкцию, проблема внедрения).

Ø Метод контрольных вопросов – один из методов психологической активизации творческого процесса, имеющий цель с помощью наводящих вопросов подвести к решению задачи, заключается в том, что изобретатель отвечает на вопросы, содержащиеся в списке, рассматривая свою задачу в связи с этими вопросами.

Ø Морфологический анализ как метод психологической активизации творческого процесса помогает преодолеть трудности при рассмотрении значительного многообразия комбинаций возможных решений. Цель метода, предложенного в 1942 г. швейцарским астрономом Ф.Цвики – систематически исследовать возможные мыслимые варианты решения и тем самым охватить неожиданные, необычные варианты, которые при простом переборе могли быть упущены. Морфологический анализ проводится в такой последовательности:

1-й шаг – точно формулируется задача;

2-й шаг – составляется список всех характеристик объекта (способа или устройства);

3-й шаг – по каждой характеристике перечисляются возможные варианты;

4-й шаг – анализируются возникающие при этом сочетания;

5-й шаг – отбираются лучшие сочетания.

Ø Метод фокальных объектов (МФО) основан на перенесении признаков случайно выбранных объектов на совершенствуемый объект, который лежит как бы в фокусе переноса.

Применяют МФО в следующем порядке:

1-й шаг – выбор фокального объекта;

2-й шаг – выбор трех-четырех случайных объектов (их выбирают наугад из словаря, каталога, технического журнала и т.д.);

3-й шаг – составление списков признаков случайных объектов;

4-й шаг – генерирование идей путем присоединения к фокальному объекту признаков случайных объектов;

5-й шаг – развитие полученных сочетаний путем свободных ассоциаций;

б-й шаг – оценка полученных идей и отбор полезных решений (целесообразно поручить оценку эксперту или группе экспертов, а затем совместно отобрать полезные решения).

Распространенными методами исследования в научном и техни­ческом творчестве являются анализ и синтез, базирующиеся:

Важными элементами процесса технического творчества являются:

– абстрагирование – мысленное отсечение ряда свойств объекта с целью выявления главного свойства в системе логических построений, т.е. существа предмета;

– построение гипотезы – предположение о каких-то свойствах и закономерностях действительности;

– предвидение, осуществляющееся не только путем логических умозаключений, но и с помощью воображения;

– сравнение – установление сходства и различия между рассматриваемыми предметами;

– обобщение – установление совокупности признаков, которыми обладают различные предметы, соответствующие образуемому понятию.

Действие выделения признаков определенного рода есть абстрагирование по отношению к этим выделенным признакам, но оно же есть обобщение, если речь идет о более богатой совокупности признаков.

Правильное логическое мышление неотъемлемо от методов доказательства и опровержения.

Доказательство в широком смысле слова – это всякий способ уяснения оснований, по которым известное суждение считают истинным. В этом широком смысле к доказательствам относятся также выводы и умозаключения.

При выводе и умозаключении доказательство состоит в усмотрении необходимой связи между посылками и заключением, сами же посылки принимают в качестве истинных без исследования и проверки их истинности.

Интенсификация работ по модернизации научно-инженерной эвристики не только непосредственно минимизирует затраты времени научных и инженерно-технических работников, но одновременно минимизирует затраты капитальные, энергетические, материальные и т. д. Поэтому, наряду с формированием экологического мировоззрения необходимо обеспечить максимальную интенсификацию всего комплекса работ по научно-инженерной эвристике как ключевых в период «эколого-энергетического цейтнота».

В настоящее время в Украине (в ХНУРЭ в том числе) и за рубежом большое внимание уделяется эвристической деятельности и эвристическому образованию инженеров и магистров различных специальностей и способам повышения эффективности эвристики как нового научного направления. К сожалению, большая часть исследований не относится непосредственно к радиотехническим задачам (проектирование радиосистем, радиоустройств, средств телекоммуникации и т. д.), а имеет отношение к общим, философским или кибернетическим вопросам творческой деятельности инженеров. Все же материалы этих работ позволяют сформулировать ряд конкретных, рекомендаций, которые совершенствуют эвристическую деятельность радиоспециалистов в процессе проектирования радиоэлектронных устройств и систем. Указанные рекомендации можно представить в виде организационных приемов и методических мероприятий.

К организационным приемам относятся меры, направленные на улучшение организации труда проектировщиков: подбор и распределение кадров, обеспечение оптимального взаимодействия инженеров различных специальностей; повышение квалификации кадров; создание творческой атмосферы и стимулов изобретательства; обеспечение необходимым оборудованием, материалами, аппаратурой, контрольно-измерительной техникой; организация оперативной и своевременной научно-технической информации и т. п.

Методические мероприятия состоят из совокупности приемов и рекомендаций, направленных на повышение эффективности творчества разработчиков: сокращение времени поиска новых технических решений; оптимизация цели или обеспечение методологий оптимизации гарантий в процессе проектирования; применение ЭВМ.

В последующих подразделах данного раздела будем рассматривать лишь методические мероприятия и рекомендации эвристической деятельности разработчиков. Однако следует знать, что большинство из них дают эффект при разработке и проектировании относительно простых систем и устройств. То же самое относится и к степени их апробации в радиотехническом применении.

Пути повышения эффективности эвристических решений имеют исключительную важность, так как они в целом определяют успех математических и экспериментальных исследований и создают предпосылки для оптимизации процесса проектирования новых высокоэффективных систем и устройств. Эвристический подход в процессе проектирования новых радиотехнических систем применяется для решения следующих основных задач:

Ø выбор и формулировка цели проектирования;

Ø выбор физических принципов действия системы;

Ø обоснование математической модели проектируемой системы, полезных и мешающих воздействий;

Ø выбор схемотехнической и элементной базы (при отсутствии жестких ограничений и необходимости творческого подхода);

Ø трактовка результатов исследования и принятие окончательных решений.

Эвристическая деятельность разработчиков опирается на имеющийся опыт в разработке аналогичных систем и устройств. При этом также могут использоваться алгоритмы решения подобных задач и известные результаты теоретических и экспериментальных исследований, проведенных в процессе проектирования и разработки. Одним из наиболее важных этапов техниче­ского творчества в процессе проектирования систем и устройств является выбор цели. Он определяет в целом класс разрабатываемой (проектируемой) системы. В большинстве практических ситуаций цель проектирования определяется заказчиком в виде тактико-технических требований (технического задания) на ту или иную разработку. В других случаях цель определяется непосредственно самим разработчиком.

После выбора цели надлежит составить словесную формулировку задачи проектирования. Она не должна быть слишком «жесткой», а должна иметь различные варианты обобщающего характера, позволяющие варьировать решения в целях отыскания наиболее удачного. В некоторых случаях нежесткость словесной формулировки создает предпосылки для превращения практически неразрешимой задачи в разрешимую либо позволяет снять некоторые некорректно поставленные задачи проектирования. Оценка вариантов словесных формулировок обусловливает возможность большего кругозора разработчика и дает ключ к разностороннему анализу поставленной задачи, выявлению ее сущности с определением главных и второстепенных факторов.

Эвристический поиск путей решения задачи, как правило, следует за этапом ее словесной формулировки. В процессе эвристического поиска разработчики используют прототипы проектируемой системы и идеальный конечный результат (ИКР).

Прототипами обычно являются известные из литературы (включая авторские свидетельства и патенты) или накопленного опыта разработчиков лучшие варианты построения системы (устройства), которые наиболее близки к задаче проектирования новой системы. Прототип может быть единственным, когда он однозначно соответствует решению поставленной задачи. В случае неопределенности выбора единственного прототипа (обычно, когда один прототип удовлетворяет показателям качества системы, но неприемлем в других отношениях) используют несколько прототипов. Недостатки прототипов позволяют целенаправленно подойти к их усовершенствованию, т. е. к решению поставленной задачи (получению ИКР).

Под идеальным конечным результатом проектирования понимается некоторая совокупность идеальных значений и т. д. тех частных показателей качества радиотехнической системы ,каждый из которых желательно получить в процессе проектирования идеальным (экстремальным). Обычно идеальное значение показателя – наилучшее значение, которое можно получить в процессе проектирования как предельное без нарушения основных законов природы. При этом не принимаются во внимание различные технические ограничения как на данный показатель качества, так и на другие показатели качества системы. Таким образом, идеальным (предельным) значением качества является его экстремальное значение (либо , либо ).

Сформулировать ИКР – это значит создать систему, обладающую определенной совокупностью идеальных показателей качества. Иными словами, необходимо установить, какие частные показатели качества системы должны быть экстремальными, т. е. определить их идеальные значения.

Пусть в рамках иллюстративного примера основными качественными показателями проектируемой радиотехнической (связной) системы являются следующие: вероятность ошибочного приема; отношение энергии эле­мента сигнала к спектральной плотности аддитивной помехи, действующей в канале; пропускная способность системы; вероятность отказа за данное время действия; стоимость; масса системы.; Для приведенных параметров в качестве ИКР желательно было бы выбрать систему, у которой ,

При увеличении числа показателей качества проектируемой системы и стремлении получить их идеальными задача достижения ИКР может стать нереальной. Поэтому обычно при эвристической деятельности проектировщики стремятся ограничить число идеализируемых показателей качества. Это оказывается возможным, так как в реальных задачах проектирования радиотехнических систем не возникает необходимость предельного улучшения всех показателей качества . Так, если на этапе проектирования системы известны прототипы, имеющие вполне приемлемые значения показателей и , но неудовлетворительные значения остальных параметров, то эвристическая деятельность разработчиков должна быть направлена на создание системы, ИКР для которой состоит из совокупности:

Заметим, что в процессе формулировки ИКР некоторые показатели качества могут быть противоречивыми по отношению друг к другу, либо когда один из них противоречив по отношению к целой группе показателей. Например, достижение может быть получено увеличением мощности передатчика данной системы, Однако если этим тривиальным приемом воспользуются все системы, то ухудшатся показатели и т. д.

Кроме того, увеличение уровня аддитивных помеху вследствие ухудшения электромагнитной совместимости систем, возрастания побочных и внеполосных излучений передатчиков приведет к тому, что требование станет неосуществимым.

Дальнейшая задача эвристической деятельности разработчиков состоит в отыскании способов (эвристических приемов) преодоления технических противоречий. Под такими приемами понимают следующие. Пусть данное техническое противоречие состоит в том, что улучшение показателя вызывает ухудшение . При такой ситуации преодолением технического противоречия будет отыскание такого приема, который позволяет улучшить без соответствующего ухудшения показателя . В случае, если этот прием приводит к новому противоречию (например, вместо ухудшения происходит ухудшение ), то необходимо найти новый дополнительный прием, устраняющий и это противоречие. В конечном счете задача состоит в отыскании такой совокупности приемов, которые позволят преодолеть все основные технические противоречия (исходные, а также вызванные введенными приемами).

Приведем перечень приемов преодоления технических противоречий применительно к проектированию радиотехнических систем, предложенный Л. С. Гуткиным и дополненный авторами учебного пособия [1]:

1) дробление, или декомпозиция (конструктивная, динамическая, функциональная);

2) объединение, или композиция (конструктивная, динамическая, функциональная);

3) обеспечение универсальности;

4) обеспечение равноправности (в действии частей системы и в действиях при проектировании);

5) обращение вреда в пользу;

6) применение предварительного напряжения (компенсация систематической ошибки);

7) применение адаптации;

8) введение обратной связи;

9) переход в другое измерение (замена временной обработки пространственно-временной, непрерывных сообщений дискретными, цифровыми);

10) замена непрерывного действия импульсным (или наоборот);

11) обеспечение непрерывности полезного действия;

12) введение избыточности (информационной, конструктивной и др.);

13) устранение избыточности (информационной, конструктивной и др.);

14) отброс и регенерация частей (подсистем);

15) применение других физических явлений для передачи или извлечения информации;

16) изменение длины волны (рабочей частоты);

17) изменение элементной базы;

18) функциональное согласование человека с ЭВМ;

19) динамическое согласование человека с ЭВМ;

20) применение принципа «начинай работать с конца»;

21) применение принципа «начинай с простого»;

22) рассмотрение крайних (граничных) случаев;

23) проведение последовательных приближений;

24) применение принципа многокритериальности;

25) применение принципа дуальности;

26) применение принципа неопределенности (однозначности величины произведения длительности импульса на ширину полосы занимаемого им спектра);

27) применение принципа взаимности;

28) применение принципа инвариантности (независимости одного параметра от другого);

29) применение принципа нормализации (закон больших чисел – теорема Ляпунова);

30) применение принципа минимаксности (оценка гарантий в теоретико-игровых задачах);

31) применение байесовских оценок;

32) применение аппроксимации марковскими провесами (цепями);

33) применение усреднения;

34) применение рандомизации (случайность выбораномеров опытов при проведении многофакторного эксперимента);

35) применение условий конфликтной ситуации (теоретико-игровой подход);

36) обеспечение асимптотической эффективности;

37) применение линеаризации;

38) применение «замораживания»;

39) применение дискретизации;

40) применение принципов идентификации;

41) применение принципов электромагнитной совме­стимости;

42) применение принципов, исходящих из выполнения требований экономики, энергетики, экологии, эффективности;

43) применение принципов оптимального синтеза;

44) применение теоретико-информационных принципов;

45) применение методологии других отраслей наук (биологии, медицины, бионики и др.);

46) применение принципов распараллеливания (при передаче, обработке и извлечении информации).

Список приемов отнюдь не исключает процесса творчества, а лишь облегчает его, подсказывая новые оригинальные (нестандартные) направления поиска. Таким образом, отыскание наиболее эффективных приемов преодоления технических противоречий преследует цель разрушения инерционности мышления на основе нестандартного, творческого подхода к проектированию и разработке.

Дата добавления: 2014-11-18