Морфологические методы

Наиболее целесообразно  использовать морфологический анализ при решении конструкторских  задач общего плана: при проектировании машин и поиске компоновочных  или схемных решений. Например, требуется  предложить новый тип индивидуального  транспорта в условиях города, выбрать  рациональную конструкцию подводного (донного) транспорта и т. д. Метод  может применяться для выполнения простых изобретений, а также  при прогнозировании развития технических  систем, при определении возможности  патентования в том или ином абстрактном  виде комбинаций основных параметров с целью «заблокировать» будущие  изобретения [21,30]. 

Суть метода лучше  всего пояснить на простом и наглядном  конкретном примере, приводимом самим  Ф. Цвикки. Он детально рассмотрел полный спектр всех возможных видов реактивных двигателей (по состоянию на 1951 г.), работающих на химическом топливе в однородной среде (вакуум, воздух, вода, земля). Анализ был проведен в такой последовательности. 

1. Точно сформулировать  задачу: нужна новая эффективная  конструкция реактивных двигателей. 

2. Составить список  всех морфологических признаков  технической системы, характерных  параметров, от которых зависит  решение проблемы: 

P1—ресурсы топлива (химического агента), 

Р2 — способ создания тяги, 

Р3 — тип регулирования  тяги, 

Р4 — способ регулирования  тяги, 

.......................................................... 

Р7 — агрегатное состояние  среды, 

........................................................... 

Р9 — агрегатное состояние  топлива, 

................................................ и т. д. 

Было выбрано всего 11 признаков. К сожалению, не существует да и не может быть надежного способа  проверки полноты такого списка, о  чем свидетельствует пример самого Ф. Цвикки. Он не учел, например, признак  скорости сгорания топлива: в дозвуковом режиме истечения струи или в  сверхзвуковом. А между тем воплощением  сверхзвуковых скоростей сгорания является прямоточный воздушно-реактивный двигатель, который в настоящее время рассматривается как одно из наиболее перспективных решений. 

3. Раскрытие возможных  вариантов по каждому морфологическому  признаку и составление морфологической  матрицы. 

p1—ресурсы топлива: P11—запасенное на борту ракеты, P12 — поступающее из внешней среды; 

р2—способ создания тяги: P21—за счет внутренних источников, P22—за счет внешних источников; 

р3—тип регулирования  тяги: Р31—за счет собственных источников, Р32—за счет внешних источников, Рз3—отсутствие регулирования; 

Р4—способ регулирования  тяги: Р41 — внутреннее регулирование, Р42 — внешнее регулирование; 

Р7—агрегатное состояние  среды: Р71—безвоздушное пространство, Р72—воздух, Р73—вода, Р74—земля; 

р9—агрегатное состояние  топлива: Р91 — газообразное, Р92—  жидкое, P93 — твердое. 
 
 

Рис. 6. Морфологическая  матрица реактивных двигателей на химическом топливе. 

При составлении  списка альтернатив нужно смелее вводить фантастические варианты и  возможности (например, варианты P12 и Р22) —это намного расширяет возможности метода, повышает его эвристическую ценность и способствует увеличению числа принципиально новых, оригинальных решений. 

Окончательно полученная морфологическая матрица имеет  вид, представленный на рис. 6. 

4. Определение функциональной  ценности всех возможных вариантов  решений. 

Необходимо выписать и оценить возможные варианты решений, выражаемые, например, формулами:, ... " т. д. 

Простой перебор  приводит к громадному числу таких  вариантов. Число условных реактивных двигателей в нашем примере равно: 

2∙3∙4∙2∙4∙2∙2∙4∙3∙2∙2=36864, 

Таблица 4. Морфологическая  матрица вариантов конструкции  электродвигателя

Статор  

Ротор 

Пассивный  

Двухполюсный ПМ 

Однополюсный ЭМ, питаемый постоянным током 

2(N)-полюсный ЭМ, питаемый постоянным током 

Однополюсный ЭМ, питаемый переменным током 

2(N)-полюсный ЭМ, питаемый переменным током 

Пассивный 

- 

- 

- 

- 

- 

Асинхронный сопряженный' 

Двухполюсный 

  

- 

- 

Униполярный (ПМ) 

  

- 

- 

Постоянного тока (ПМ) с коллек­тором 

Однополюсный ЭМ, питаемый постоянным током 

- 

Униполярный (ПМ) 

  

- 

Униполярный (ПМ) 

  

- 

- 

2 (N) -полюсный ЭМ, питаемый 

постоянным током 

  

- 

- 

Униполярный (ПМ) 

  

- 

- 

Постоянного тока с  последовательно-параллельным возбуждением (с коллектором) 

Эднополюсный ЭМ, питаемый переменным то­ком 

- 

- 

- 

- 

- 

Униполярный сопряженный, переменного тока 

2 (N)-полюсный ЭМ, питаемый переменным « током 

  

Асинхронный  «беличья клетка» 

  

Асинхронный сельсин-двигателъ (ПМ) 

  

- 

Асинхронный сельсин-двигатель (ЭМ) (контактные кольца) 

Униполярный переменного  тока 

  

- 

Примечание: ПМ –  с постоянным магнитом; ЭМ – с  электромагнитом. 
 

Безусловно, некоторые  из этих вариантов заведомо оказываются  противоречивыми. И имеющиеся внутренние ограничения снижают первоначальную цифру до 25344. Даже если отбросить  признак работы двигателей в различных  средах, их остается примерно 10000. Первая оценка, сделанная Ф. Цвикки в 1943 году на основе меньшего числа параметров, дала только 576 возможных вариантов, в числе которых, однако, были правильно  учтены тогда еще секретные немецкие самолет-снаряд «ФАУ-1» и ракета «ФАУ-2»  с импульсными двигателями [30]. 

5. Выбор наиболее  перспективных решений. 

В приведенной на рис. 6 морфологической матрице сочетание  обведенных кружками вариантов признаков  относится к межпланетному прямоточному воздушно-реактивному двигателю (ПВРД). Ф. Цвикки отмечает, что особый интерес  представляет наличие в ней варианта P12, показывающего, что химическая энергия полностью извлекается из окружающей среды и что ракетный двигатель не нуждается в запасах топлива на борту. 

Еще один более простой  пример иллюстрирует применение морфологического метода к исследованию возможных  вариантов конструкции электродвигателя. 

Анализ показывает, что ротор электродвигателя может  быть пассивным и немагнитным, пассивным  постоянным магнитом или же электромагнитом. В последнем случае он может питаться постоянным или переменным током, быть однополюсным или многополюсным. Точно  такие же варианты возможны и для  статора. Имеется 6 различных вариантов  для ротора и столько же для  статора, а для электродвигателя—36 (табл. 4). Однако если рассмотреть каждый из них, то окажется, что только 12 вариантов  решения (сочетаний) позволяют получить отличный от нуля крутящий момент. 

Одной из наиболее интересных позиций в табл. 4 является «униполярный»  электродвигатель переменного тока (такой вариант обнаружен только в результате использования морфологического подхода). Он будет иметь то преимущество перед более известной конструкцией двигателя постоянного тока (или фарадеевским диском), что необходимые для его работы большие токи при низких напряжениях можно будет получать с помощью обычного трансформатора [24, 29]. 

Создавая морфологический  анализ, Ф. Цвикки основное внимание уделял не столько совершенствованию уже  созданных им методов, сколько разработке новых, которые обеспечат их различные  практические приложения. 

В целях повышения  эффективности и расширения возможности  применения морфологического метода и  в нашей стране ведется его  дальнейшее изучение и доработка. Так, В. М. Одриным и С. С. Картавовым [24] проведен глубокий теоретический анализ метода, сформулированы основные понятия  и термины, предложены новые принципы и подходы к анализу и синтезу  технических систем. 
 
 
 
 

Системно-морфологический  подход

в технике, науке, социальной сфере.

Титов В.В. 

1.3. Метод морфологического  ящика 
 

 Несмотря на  то, что наиболее серьезные достижения  Цвикки относятся к двум рассмотренным  выше методам, наибольшую известность  получил все же метод морфологического  ящика (ММЯ), который “узурпировал”  и общее название “морфологический  анализ” или “морфоанализ”.  Причины прозрачны: 

 а) ММЯ является  единственным “алгоритмизированным”  методом из набора Цвикки; 

 б) ММЯ наиболее  доступен для понимания обычным  инженерам, не “морфологам от  рождения”. 

 Впрочем, последняя  особенность (в действительности  мнимая) сослужила методу плохую  службу: бездумное, догматическое  применение ММЯ в той сжатой, “телеграфной” форме, которая  дана автором метода, почти неизбежно  ведет к отрицательному результату. 

 В чем же  дело? Давайте рассмотрим, как сам  Цвикки формулирует этапы ММЯ  [2,11]:

1. Точно сформулировать  проблему, подлежащую решению.

2. Выявить и охарактеризовать  все параметры, которые могли  бы войти в решение заданной  проблемы.

3. Сконструировать  морфологический ящик или многомерную  матрицу, содержащую все решения  заданной проблемы.

4. Все решения,  содержащиеся в морфологическом  ящике, внимательно проанализировать  и оценить с точки зрения  целей, которые должны быть  достигнуты.

5. Выбрать и реализовать  наилучшие решения (при условии  наличия необходимых средств). Этот  этап практической реализации  требует дополнительного морфологического  исследования. 

 Простейший пример  морфологического ящика показан  на рисунке 2.  Параметры Варианты

А Материал корпуса  1. Сталь  2. Чугун  3. Кирпич  4. Другое

 Б Материал дымовой трубы 1. Сталь 2. Асбоцемент 3. Кирпич 4. Другое

В Вид топлива 1. Дрова 2. Солома 3. Хворост 4. Уголь 5. Другое

Г Форма топливника 1. Вертикальный 2. Горизонтальный

Д Средства аккумулирования тепла 1. Водяной бачок 2. Засыпка песком или золой 3. Обкладка кирпичом

4. Тепловая камера, заполненная камнем 5. Другое

Е Вывод трубы 1. Через окно 2. Через потолок

Ж Средства пожарной безопасности 1. Металлический поддон 2. Асбестовая подкладка 3. Ножки 4. Нет

И Устройства для приготовления пищи 1. Одна конфорка 2. Две конфорки 3. Нет 

Рис.2. Морфологическая  матрица для объекта “Печь  для дачного домика” 

 В матрице Рис.2 содержится ни много, ни мало - 4*4*5*2*5*2*3*3=14400 вариантов печурок.  Каждый вариант можно обозначить  формулой АiБjВkГl... Например, вариант А2Б2В1Г1Д2Е2Ж3И3 означает следующее: чугунная печь (А2) с асбоцементной трубой (Б2), выведенной через потолок (Е2), топится дровами (В1), топливник вертикальный (Г1), теплоаккумулирующая емкость засыпана песком или золой (Д2), печь на ножках (Ж3), никаких приспособлений для приготовления пищи нет (И3).