145
целью и задачами. Поэтому, прежде чем приступить к экспериментальным исследованиям, необходимо разработать методологию эксперимента.
Методология эксперимента – это общие принципы, структура эксперимента, его постановка и последовательность выполнения экспериментальных исследований. Методология эксперимента включает в себя следующие основные этапы: разработку плана-программы эксперимента; оценку измерений и выбор средств для проведения эксперимента; проведение эксперимента; обработку и анализ экспериментальных данных, установление адекватности.
Приведенное количество этапов справедливо для традиционного эксперимента. Наряду с этим широко применяют математическую теорию эксперимента, позволяющую резко повысить точность и уменьшить объем экспериментальных исследований. В этом случае методология эксперимента включает такие этапы: разработку плана-программы эксперимента, оценку измерений и выбор средств для проведения эксперимента, математическое планирование эксперимента с одновременным проведением экспериментального исследования, обработкой и анализом полученных данных.
План-программа эксперимента включает наименование темы исследования, рабочую гипотезу, методику эксперимента, перечень необходимых материалов, приборов, установок, список исполнителей эксперимента, календарный план работ и смету на выполнение эксперимента. В ряде случаев включают работы по конструированию и изготовлению приборов, аппаратов, приспособлений, методическое их обследование, а также программы опытных работ на заводах, строительстве и т.д.
Основу плана-программы составляет методика эксперимента. Методика представляет собой систему приемов или способов для последовательного наиболее эффективного экспериментального исследования и включает в себя: цель и задачи эксперимента; выбор варьирующих факторов; обоснование средств и необходимого количества измерений; описание проведения эксперимента, обоснование способов обработки и анализа результатов эксперимента.
Определение цели и задач эксперимента – один из наиболее важных этапов. На основе анализа информации, гипотезы и теоретических разработок обосновывают цель и задачи эксперимента. Вся информация позволяет в той или иной степени судить об ожидаемых закономерностях изучаемого процесса, а, следовательно, и определить задачи эксперимента. Четко, конкретно обоснованные задачи – это большой вклад в их решение. Количество задач не должно быть слишком большим (3-4 задачи), в большом исследовании их может быть 8-10.
Выбор варьирующих факторов – это установление основных и второстепенных характеристик, влияющих на исследуемый процесс. Вначале анализируют расчетные (теоретические) схемы процесса. На основе этого классифицируют все факторы и составляют из них убывающий по важности для данного эксперимента ряд. Правильный выбор основных и второстепенных
146
факторов играет важную роль в эффективности эксперимента, поскольку эксперимент сводится к нахождению зависимостей между этими факторами. В отдельных случаях трудно сразу выявить роль основных и второстепенных факторов. При этом необходимо выполнить небольшой по объему предварительный поисковый опыт.
Основным принципом установления степени важности характеристики является ее роль в исследуемом процессе. Для этого изучают процесс в зависимости от какой-то одной переменной при остальных постоянных. Такой принцип проведения эксперимента оправдывает себя только в тех случаях, когда переменных характеристик мало (1-3). Если же переменных величин много, целесообразен принцип многофакторного анализа.
Обоснованное применение средств измерений – это выбор необходимых для наблюдений и измерений приборов, оборудования, машин, аппаратов и др. Экспериментатор должен быть хорошо ознакомлен с выпускаемой измерительной аппаратурой.
Вотдельных случаях возникает потребность в создании уникальных приборов, аппаратов, установок, стендов, машин для исследования. При этом разработка и конструирование приборов и других средств должны быть тщательно обоснованы теоретическими расчетами и практическими соображениями о возможности изготовления оборудования. Создавая новые приборы, необходимо использовать готовые узлы выпускаемых или реконструировать существующие приборы. Очень ответственной частью является установление точности измерений и погрешностей. Методы измерений должны базироваться на законах специальной науки – метрологии, изучающей средства и методы измерений.
При экспериментальном исследовании одного и того же процесса (наблюдения и измерения) повторные отсчеты на приборах, как правило, не одинаковы. Отклонения объясняются различными причинами – неоднородностью свойств изучаемого тела (грунт, материал, конструкция и т.д.), несовершенностью приборов и классом их точности, субъективными особенностями экспериментатора и др. Чем больше случайных факторов, влияющих на опыт, тем больше отклонения отдельных измерений от среднего значения. Это требует повторных измерений, следовательно, необходимо знать их необходимое минимальное количество. Под необходимым минимальным количеством измерений понимают такое их количество, которое в данном опыте обеспечивает устойчивое среднее значение измеряемой величины, удовлетворяющее заданной степени точности. Установление необходимого минимального количества измерений имеет большое значение, поскольку обеспечивает получение наиболее объективных результатов при минимальных затратах времени и средств.
Вметодике подробно проектируют процесс проведения эксперимента. Вначале составляют последовательность (очередность) проведения операций измерений и наблюдений. Затем тщательно описывают каждую операцию в отдельности с учетом выбранных средств для проведения эксперимента.
147
Большое внимание уделяют методам контроля качества операций, обеспечивающих при минимальном (ранее установленном) количестве измерений высокую надежность и заданную точность. Разрабатывают формы журналов для записи результатов наблюдений и измерений.
Важным разделом методики является выбор методов обработки и анализа экспериментальных данных. Обработка данных сводится к систематизации всех цифр, классификации, анализу. Результаты экспериментов должны быть сведены в удобочитаемые формы записи – таблицы, графики, формулы, номограммы, позволяющие быстро сопоставлять полученные результаты.
Особое внимание в методике должно быть уделено математическим методам обработки и анализу опытных данных – установлению эмпирических зависимостей, аппроксимации связей между варьируемыми характеристиками, нахождению критериев и доверительных интервалов и др. Далее определяют объем и трудоемкость экспериментальных исследований, которые зависят от глубины теоретических разработок, степени точности принятых средств измерений. Чем четче сформулирована теоретическая часть исследования, тем меньше объем эксперимента. Возможны три случая проведения эксперимента.
1. Теоретически получена аналитическая зависимость, которая одно-
значно определяет исследуемый процесс. Например, y = 3e-2x. В этом случае объем эксперимента для подтверждения данной зависимости минимален, поскольку функция однозначно определяется экспериментальными данными.
2. Теоретическим путем установлен только характер зависимости.
Например, y = ae-bx. В этом случае задано семейство кривых. Экспериментальным путем необходимо определить a и b. При этом объем эксперимента возрастает.
3. Теоретически не удалось получить каких-либо зависимостей. Разработаны только предположения о качественных закономерностях процесса. Во многих случаях целесообразен поисковый эксперимент. Объем экспериментальных работ возрастает. Здесь уместен метод математического планирования эксперимента.
На объем и трудоемкость существенно влияет вид эксперимента. Полевые эксперименты, как правило, имеют большую трудоемкость. После установления объема экспериментальных работ составляют перечень необходимых средств измерений, объем материалов, список исполнителей, календарный план и смету расходов. План-программу рассматривает руководитель, обсуждают в коллективе и утверждают в установленном порядке.
148
3.4 Методы генерации новых технических решений при проектировании РЭС
3.4.1 Метод мозговой атаки
Методы мозгового штурма, или мозговой атаки (МА), основываются на следующем психологическом эффекте. Если взять группу в 5-8 человек и каждому предложить независимо и индивидуально высказывать идеи и предложения по решению поставленной изобретательской или рационализаторской задачи, то в сумме можно получить N идей. Если предложить этой груп-
пе коллективно высказывать идеи по этой же задаче, то получится Nk идей.
При этом оказывается, что Nk намного больше N.
Обычно зa 15-30 мин коллективно высказывается (при соблюдении правил МА) от 50 до 160 разных идей, а при индивидуальной работе - только 10-20 идей.
Во время сеанса МА происходит как бы цепная реакция идей, приводящая к интеллектуальному взрыву. В одном из американских руководств по методу МА говорится: «99 процентов ваших конструктивных идей возникает подобно электрической искре при «контакте» с мыслями других людей».
В связи с этим Г.Я. Буш, известный отечественный специалист по эвристическим методам технического творчества, пишет: «Мозговая атака, предложенная А. Осборном, представляет собой применение эвристического диалога Сократа с широким использованием механизма свободных ассоциаций творческого коллектива и одновременно созданием путей той или иной психоэвристической настройки оптимального микроклимата для творчества».
Современные методы МА имеют далекую предысторию, уходящую в XVI-XVII века - время расцвета смелых морских путешествий. В это время в морской практике вырабатывается порядок действий на случай, когда судно терпит аварию или бедствие. В таких экстремальных ситуациях капитан судна (или оставшийся в живых старший по положению) проводит со всей оставшейся командой непродолжительный корабельный совет, на котором каждый должен высказывать свои предложения по устранению возникших затруднений и опасностей. При этом соблюдался строгий порядок выступавших. Сначала высказывались юнги и младшие матросы, затем старшие матросы и т. д. до капитана. Такая процедура стимулировала мышление более старших и опытных людей, которые приходили к более толковым и приемлемым идеям.
Современные методы МА возникли и были развиты в США. Их основателем считается морской офицер А. Осборн, который во время второй мировой войны был капитаном небольшого транспортного судна. После войны он разработал метод мозговой атаки и создал свою школу подготовки изобретателей и рационализаторов.
149
Как «работает» мозговая атака, можно показать с помощью примера решения конкретной задачи, известной в фольклоре, созданном вокруг метода, под названием «защита транспортных судов от торпед и мин». Задача возникла во время второй мировой войны. От торпед и мин погибало много транспортных судов. Попробовали применить для решения задачи мозговую атаку. На заседание пригласили «человека со стороны». Он высказал такую идею: «Пусть, как только мина или торпеда обнаружена, вся команда встанет вдоль борта и дует на эту мину».
Эту идею никак нельзя назвать серьезной. Один из экспертов заметил: «Если можно воздействовать на торпеду, так только потоком воды, но не воздуха, потому что она практически полностью погружена в воду». Другой эксперт заметил, что в принципе на каждом транспортном судне есть источники сильного водяного напора – насосы для аварийной откачки воды. Тогда третий эксперт предложил: «А нельзя ли трубами связать насосы с наиболее уязвимыми точками борта судна и создавать там необходимые потоки воды, чтобы отклонить торпеду с курса?»
Трансформированная таким образом идея была принята к дальнейшей разработке и использованию.
Методы МА представляют собой эмпирически найденные эффективные способы решения творческих задач. С точки зрения психологии, кибернетики и других наук феномен МА остается белым пятном, которое требует серьезного и глубокого изучения. Такие исследования, несомненно, обеспечат значительное повышение эффективности этого популярного и широко распространенного метода.
Методы МА рекомендуются для изучения в числе первых и обязательных эвристических методов при подготовке изобретателей. Это вызвано рядом причин, кроме уже отмеченной его высокой эффективности. Изучение методов МА не требует специальной подготовки, и они осваиваются легко и быстро как учащимися средних школ и молодыми рабочими, так и опытными конструкторами. В последнее время оправдали себя и прогрессивно развиваются различные формы коллективного технического творчества (творческие группы, бригады и т.п.). Для этих форм метод МА представляется наиболее естественным и подходящим. И еще одно достоинство МА — универсальность метода и весьма широкая область его применения.
Мозговую атаку целесообразно использовать:
-при решении изобретательских и рационализаторских задач в самых различных областях техники;
-при самых различных постановках задачи (по форме, детальности и глубине проработки);
-на различных этапах решения творческой задачи и на различных стадиях разработки и проектирования изделий;
-в сочетании с другими эвристическими методами.
Удивительная универсальность методов МА позволяет с их помощью рассматривать почти любую проблему или любое затруднение в сфере человеческой деятельности. Это могут быть также задачи из области организации