Капустян В.М.
Капустян И.В.

I. Эволюция системной морфологии

Методы постановки и практического решения задач — это «искусственные инструментальные дополнения разума», подобно тому, как формулы — искусственные концентраторы знания, механизмы — искусственные дополнения рук, а измерительные приборы – дополнения органов чувств.

Одрин В. М. ^[1]

Идеи морфологического анализа, генерации и синтеза технических решений возникли, как весьма естественные, ещё в глубокой древности. Первое же материальное воплощение машины для генерации теологических решений было реализовано Раймундом Луллием в XIII веке ^[2].

В Германии Ф. Кессельринг ^[3] оформил и применил «метод морфологического ящика» в деле синтеза высоковольтных переключателей в электроэнергетике. Участник «Манхеттенского проекта» и выходец из Германии Ф. Цвикки ^[4] независимо этот же метод применил при разработке реактивных двигателей.

Бурное исследование методов морфологического анализа началось в СССР после публикации перевода монографии Э. Янча ^[5], в которой впервые на русском языке было дано краткое описание «метода морфологического ящика». В связи с этим следует упомянуть воспоследовавшие стартовые работы Шеверова В.Г., Махотенко Ю.А., Поспелова Г.С., Одрина В.М., Андрейчиковой О.Н., Титова В.Н.

Затем, в связи с публикацией в СССР Альтшуллером Г.С. основ его Теории решения изобретательских задач (ТРИЗ), его последователи спорадически включали в тексты по различным направлениям этой теории также и описания морфологических методов, но основательно над ними не работали.

Этот материал весьма обширен, тематически разнороден и вряд ли может быть здесь полностью обсуждён. Можно только отметить отличительную черту всех этих работ: она состояла в полном отсутствии попыток математически подкрепить или обосновать морфологические методы. Отсутствуют и сообщения о вспомогательных компьютерных программах, разработанных для поддержки этих методов.

Цель данной статьи – выделить главную ветвь публикаций по морфологическим методам, в которых поставлен и, в основном, решён вопрос о математическом и программном обеспечении методов морфологического анализа и синтеза (МАГИСТР или MAGISTER – таковы аббревиатуры, которыми мы предлагаем обозначать это направление исследований)^[17].

Эта ветвь берёт начало от трёх статей ^{[6,7 и 8]}. В первой из них обсуждён метод генерации древовидных и комбинаторных топологических структур, присущих формальным отношениям между запатентованными техническими решениями. В основополагающих трудах Ф. Цвикки эти топологические структуры названы «Морфологическими картинами предметных миров».

Во второй, — обсуждено важнейшее дискретное отношение – регулирующее «отношение парной совместимости» между различными запатентованными техническими решениями на случай попыток включать их в состав одной и той же уединённой технической системы.

В третьей, — обоснован «метод последовательных расчётов», предназначенный для решения оптимизационных задач в тех случаях, когда критерий оптимизации задан в самом слабом виде – с областью определения в виде дискретной таблицы чисел.

Далее последовал ряд работ, синтезирующих и развивающих идеи упомянутых трёх статей. В этот ряд органично вошли статьи патенты, программные продукты и монографии, — всего около 60. Наиболее важные из них мы цитируем и обсуждаем ниже.

В заключительной части VII данной статьи предсказаны направления развития и применения морфологического анализа и синтеза в общечеловеческом движении, приведшем к возникновению сложнейших «машин для жизни» — мегаполисов и городских агломераций с последующим в будущем построением гео-обитабелной конструкции Б.В. Оськина и прорыве в Ноосферу, согласно утверждениям В.И. Вернадского.

II. Методы генерации связующих структур

Есть три основных типа связующих и интегрирующих структур для построения морфологических картин предметных миров. Это «комбинаторные пирамиды» ^[6], «атласы комбинаторных таблиц» ^[9] и «комбинаторные эллипсоиды» ^[11].

1. Связующая структура первого типа – «комбинаторная пирамида» [6], — регулярно и последовательно строится с использованием запатентованных решений с помощью компьютерной методики, использующей «метафору картотеки». Когда структура этого рода готова к использованию в процессах выбора во время эскизного проектирования, тогда она генерирует для обсуждения дерево функциональных блоков уединённой конструкции.

2. Для построения связующих структур второго типа достаточно «Руководства пользователя» ^[11] и возможностей текстового редактора, работающего с таблицами. Когда структура этого рода, — «Атлас комбинаторных таблиц», — готова к использованию, тогда она генерирует подмножество клеток, в которых ничего не записано (пусто), хотя по смыслу там что-то обязательно должно быть. Эти пустые клетки задают темы для обсуждения, поиска дополнительной информации, размышлений и изобретений (в процессах изыскания новых альтернатив) ^[10]. Хорошие примеры «работы по изобретению альтернатив» с помощью таблиц даны в ^[13]

3. Связующие структуры третьего типа, — «комбинаторные эллипсоиды», — наиболее сложны. Методы их создания и использования описаны в ^[11]. Комбинаторный эллипсоид интегрирует все альтернативы операций и технологических переходов в семействе (классе) технологий одинакового назначения. Выбор в комбинаторном эллипсоиде продуцирует все возможные, в том числе, совершенно новые сетевые схемы технологий для обсуждения. Пример продукции новых схем при проектировании МГД-генерации электроэнергии рассмотрен в ^[12].

Итак, связующие структуры порождают «деревья функциональных блоков» конструкций (для макетного эксперимента), «образы неизвестного» (для их исследования) и схемы новых технологий — для их опробования.

III. Отношения совместимости

Когда морфологическая картина любого предметного мира (первого и третьего рода) построена и делается попытка выбрать для проекта хотя бы две альтернативы в двух разных локусах картины, немедленно возникает вопрос об их функционально-материальной совместимости. Несовместимость альтернатив – это суммарный отрицательный опыт конструирования. Он выявляется в результате дисфункции итогового изделия или технологии или вообще аварийного эксидента, связанного с изделием или технологией.

Самый простой способ запомнить такой эксидент – заполнить в клетке матрицы, входными индексами которой являются номера альтернатив, значение «-1». Если же эксиденты не известны, то вносят значение «?». Если же данная комбинация альтернатив давно и успешно применима, то есть не связана с неприятностями и эксидентами, то заполняют значение «+1».

Отношения совместимости охватывают отношения различной «арности», то есть от бинарных, тернарных, кватернарных и далее, насколько этого требует проект и соображения безопасности. На основании отношений совместимости в ходе эскизного проектирования автоматически вычисляется «коэффициент целостности/катахрезности». Его получают как произведение численных значений в клетках отношений, касающихся выбранных альтернатив (знак «?» при этом суммируется). Тревожный сигнал вырабатывается всякий раз, когда выбраны несовместимые альтернативы (значение «-1»). Предупредительный сигнал вырабатывается, когда сумма знаков «?» превышает некоторое, наперёд заданное значение. С помощью этого простого показателя контролируется целостность конфигурации создаваемой конструкции или технологии ^[10].

IV. Метод последовательных расчётов В. П. Черенина

Этот метод был изобретён под давлением потребностей практики. Черенин В.П. работал оператором на «сортировочной горке» для составления железнодорожных поездов в депо «Москва-сортировочная» и усмотрел присутствующую в этой работе «магию» и алгоритм комбинаторной оптимизации. Он опубликовал свой точный алгоритм в работе ^[8]. Впоследствии алгоритм был назван «алгоритмом последовательных расчётов В. П. Черенина»

Алгоритм работает на множестве всех подмножеств некоторого множества (на его булеане), элементы которого имеют аддитивную (или мультипликативную) оценку (критерий). Тогда соблюдается требования «неравенства треугольника», и вместо поиска комбинаторного решения методами оптимизации оказывается достаточным осуществить конкурирующий отбор комбинаторных сочетаний, который и приводит к выявлению глобально-оптимальной комбинации (в нашем случае, — конструкции или технологии). Критериями для конструкций обычно являются стоимость или вес, а для технологий, — энергоёмкость и длительность функционального цикла (от входа материалов в процесс до появления готового изделия из этих именно материалов).

Метод последовательных расчётов получил дальнейшее развитие в Вычислительном центре Российской Академии Наук под руководством Хачатурова В.Р. ^[13] Для целей морфологического анализа этот метод достаточен.

V. Частные виды методов морфологического анализа

Эти частные методы на самом деле появились раньше своего обобщения — родов «комбинаторные пирамиды, «комбинаторные атласы таблиц» и «комбинаторные эллипсоиды». Однако теперь они могут быть истолкованы через них как частные виды методов морфологического исследования. Вот минимальный перечень этих видов, согласно ^[1].

— метод «морфологического ящика» Ф. Цвикки
— метод морфологического классифицирования (В.М. Одрин, С.С. Картавов)
— метод морфологических деревьев (И/ИЛИ деревьев) Д. Грант и др., А.И. Половинкин и др.
— метод организуемых понятий Ф.Ханзен
— анализ взаимосвязанных областей решения Дж, Лакмен и др.
— Метод ступенчатого поиска решения А. Фрейзер и др.
— Многоуровневый морфологический метод решения технических задач Р. Коллер
— функционально-стоимостный (инженерно-стоимостный) анализ (ФСА) Н.А. Бородачёв, Ю.М. Соболев, Л.Д. Майлс,        Х. Эберт и К. Томас, Ч. Байтуэйт, Н.К. Моисеева, Х. Велленройтер, А.П. Ковалев, М.Г. Корпунин, Б.И. Майданчик и др.
— метод систематического покрытия поля поиска Φ. Цвикки
— метод отрицания и конструирования Ф. Цвикки
— метод крайностей» Φ. Цвикки
— метод сопоставления совершенного с дефектным. Ф.Цвикки
— матрицы и сети взаимодействия К. Александер, Дж. Джонс, Μ. Минский и др.
— матрицы открытия А. Моль и др.

Частные случаи (сотни и тысячи случаев) применения морфологических методов в различных предметных областях небольшого и среднего объёма (многообразия) сведены в таблицу в работе ^[1].

Способ истолкования частного вида морфологического через более общий род продемонстрирован в работе ^[11]. Там же определены так называемые «когнитивные игры» на родах морфологических картин предметных областей, как один из путей развития морфологических исследований. Это открывает новые перспективы роста множества самих морфологических методов и расширяет перспективу их применения.

VI. Научные и психологические последствия применения морфологических методов

1. На сегодня ни психология творческого сознания, ни прикладная инженерная психология не работают с психическими процессами, происходящими в мышлении профессионалов при их участии в творческих проектах. Лабораторная психология всё ещё исследует, в основном, становление психики детей и психики подростков. Иногда исследуют типы решений человека в искусственно созданных, предельно абстрактных ситуациях необходимого выбора. От исследования при этом ускользает целостность творческой психики.

Это требует пояснений. Главное свойство творческого процесса – понимание профессионалом вариативности самого предмета творческого труда, уподобление ему с целью проведения с ним «внутрипсихических мысленных экспериментов». Однако, основными «кирпичиками», из которых выстраивают как сам этот предмет, так и схему мысленного эксперимента над ним и процесс его осуществления, являются теоретические понятия. Результат мысленного эксперимента тоже фиксируют в форме системы понятий. Психология не исследует «теоретические понятия» в их живом (психическом) проявлении.

Да, всего этого в психологии пока что нет, но оно появится. Можем предположить, что первым инцидентом окажется удачная попытка понимания психологами того, что происходит в психике математика при его работе над составлением нового «обыкновенного дифференциального уравнения» (для обнаруженного в научных исследованиях нового явления). Пока же психологи не исследовали даже процесс, который происходит в психике программиста, который пишет новую утилиту или аппликацию или даже новый простой программный модуль.

Видеть комплектующие структуры машин (сборки), но при этом размышлять о реализуемых ими процессах – основное волшебное свойство психики инженера. Здесь эксплуатируется метафорический стиль инженерного мышления. И методы морфологического анализа и синтеза как раз реализуют подкрепляющие этот стиль мышления знаковые системы. Эти методы имеют огромный ресурс роста своей мощности.

2. «Проклятие неявной работы с альтернативами» буквально тяготеет над научно-техническим творчеством. Речь пойдёт об обнаруженном в человеческих делах обстоятельстве, которое просто обескураживает своей необъяснимостью. Это нежелание (или неумение?!) людей работать с альтернативами явно. Это не значит, что люди вообще не работают с альтернативами.

Нет, речь идёт о сущей безделице — отсутствии навыков умственного охвата всего множества альтернатив, в отдельной точке выбора. Но в любой «ситуации действия» всегда отыщется намного больше возможных вариантов действия, чем два или три.

Тем не менее, наблюдается фантастически упорное нежелание специалистов различных областей работать с альтернативами явно и со всеми сразу. Например, конструктор задумывается о конфигурации какой-то детали или узла: какой она должна быть. Вариантов (альтернатив) перед ним «море», но он думает-думает, и прорисовывает… только один вариант!

И это притом, что даже по нормалям чертёжного хозяйства в угловом штампе чертежа предусматривалась графа «возможные альтернативы выполнения» детали, узла, блока. Здесь в этой строке конструктор (если бы он пожелал!) должен был бы поставить ссылки на несколько других чертежей, в которых проработаны альтернативы узла или блока. Но он никогда этого не делал.

И когда вдруг выясняется, что выбранный вариант (альтернатива) детали, узла, блока не устраивает коллег, стоящих в цикле проектирования после этого конструктора. Ему это сообщают, и он повторяет работу, предлагая снова только один новый вариант.

Снова коллег он не устроил. Третий «заход» всех, наконец-то устроил. Так почему бы с самого начала не дать три-четыре варианта сразу вместе? Чтобы коллеги могли из них выбрать, а не возвращать работу назад. Тогда и тройной задержки в процессе конструировании не было бы, ибо коллегам было бы из чего выбирать.

И получается, что каждый на своём рабочем месте имеет из чего выбирать — у себя в голове (или по справочнику), — но делает это неявно, никогда не изображая ряд альтернатив, который он умственно охватил и рассмотрел, прежде чем выбрать какую-то одну.

Что-то в этом есть устрашающее и загадочное. Это выглядит как некая интеллектуальная или операциональная кастрация коллектива конструкторов. Но кто и зачем совершил над человечеством эту кастрацию? Альтернативы оказываются раздробленно «запрятанными» в личном опыте участников процесса.

И всегда, в каждый момент на рассмотрении коллектива находится всего одна альтернатива. В следующей итерации она может быть заменена другой, но вместе они никогда не фигурируют в поле внимания коллектива.

В результате совершенно скрытым оказывается огромное многообразие конструкционных решений, что с виду противоречит 11-й теореме Клода Шеннона: «сложная проблема не может быть разрешена системой, которая менее сложна, нежели сама проблема». Методы морфологического анализа делают многообразие возможных решений конструкционных и технологических проблем умственно обозримыми и радикально подкрепляют процессы решения инженерных проблем.

VII. Ноосферные перспективы применения морфологических методов

Одной из многообещающих перспектив основного применения морфологических методов в предметных областях с большим объёмом исследований и работ по проектированию является перспектива их применения в конструировании континентальных и океанских городских агломераций и далее — геообитабельной конструкции человечества ^[15] и в мегапроекте «Прорыв Человечества в Ноосферу» ^[14]. При этом главной идеей является идея полной изоляции Человечества от Природы ^[15], ибо парадигма «коэволюции Природы и Человечества», выдвинутая Н. Н. Моисеевым и сотрудниками ^[16], оказалась несостоятельной.

Это масштабные проекты построения сверхсложных систем, в ходе которых морфологический анализ покажет все свои возможности. Какие трудности при этом будут возникать перед объединёнными усилиями Человечества?

1. Трудность практической систематики бурно развивающихся техники и технологий.

2. Выход инженерного дела в области, для которых вообще нет прототипов. Например, это может быть «грозовая энергетика геообитабельной конструкции Человечества», или – «глобальная система обеспечения сезонных перелётов птиц сквозь геообитабельную конструкцию», или …

3. Трудности организационно-правового обеспечения «Общечеловеческой системы управления погодой и климатом» и ей подобными системами и т.д.

Пути преодоления названных и других трудностей уже сейчас хорошо видны через систему теоретических и эмпирических понятий системной морфологии. Проблемой «прорыва в Ноосферу» в режиме «волонтёрской научной самодеятельности» занимается уже не первое поколение выпускников Московского Государственного Строительного Университета и Московского физико-технического института. Курс системной морфологии – «Методы анализа, генерации и синтеза технических решений», — входит в список обязательных дисциплин этих вузов.

ЛИТЕРАТУРА

1. 1. Одрин В.М. Метод морфологического анализа технических систем. М.: ВНИИПИ, 1989. — 312с.
   2. Ramon-I-Llull. Ars magna.
   3. Kesselring F. Technische Kompositionslehre. Anleitung zu technisch-wirtschaftlichem und verantwortungs-bewusstem Schaffen. Berlin, Springer Verlag, 1954.
   4. Zwicky F. Entdecken, Erfinden, Forschen im morphologischen Weltbild. Munich — Zurich — Knaur, 1966.
   5. Jantsch E. Technological Forcasting in Perspective. Paris, 1967.
   6. Шеверов В.Г. и др. Комбинаторный метод проектирования и анализа систем — «КОМПАС». Электронная техника, серия 9 — Автоматизированные системы управления. Вып. 1(1), 1972, с. 67-81.
   7. Холян А., Элюким С. Формализация составления вариантов в задачах конструирования. — Техническая эстетика, 1970, No 7, с.3-5.
   8. Черенин В. П. Усовершенствование метода составления плана формирования поездов. //Ж.-д. трансп. № 3.- 1948.- С. 60-71.
   9. Махотенко Ю. А. Конструктору о конструировании атомной техники. Системно-морфологический подход в конструировании. М.: «Атомиздат», 1981. — 191с.
   10. Махотенко Ю. А. «Белые пятна» приборостроения. «Приборы и системы управления», 1977, N 9. 13с.
   11. Беляев И.П. и др. Процессы и концепты. М. ТОО «СИМС». 1997.-396с.
   12. Капустян В.М. Комбинаторные структуры данных для принятия решений при разработке новой техники. г. Долгопрудный, МФТИ, 1975.-153с.
   13. Khachaturov V. R., Khachaturov R. V., Khachaturov R. V. Supermodular programming on Lattices // Comput. Sci. J. Moldova. 2003. V. 11. № 1(31). P. 43–72.
   14. Капустян В.М. Конструктору о конструировании. М. – Аналитический центр «Концепт», -2008.-312с.
   15. Оськин Б.В. Архитектура пространства обитания человечества на планете Земля. Пространство обитания человечества. Москва 2004.- 106с
   16. Моисеев Н. Н., Александров В.В., Тарко А.М. Человек и биосфера. Опыт системного анализа и эксперименты с моделями. М., Изд-во «Наука», 1985.- 272с.
   17. МАГИСТР — Методы Анализа и Генерации Инженерного Синтеза Технических Решений. Или MAGISTER — Methods for Analysis, Generation in Synthesis of Technological Researches ↑