© Альтшуллер Г.С., "Техника и наука", 1980, №4
СИСТЕМА СТАНДАРТОВ
ИЛИ ПРАВИЛА НЕТРИВИАЛЬНОГО
РЕШЕНИЯ НЕТРИВИАЛЬНЫХ ЗАДАЧ

Начнем с задачи.

Задача 9. В центрифуге в течение длительного времени (несколько дней) идут химические реакции. Необходимо поддерживать температуру в 240°С. Для этого используют электромагнитное поле - оно нагревает расположенный внутри центрифуги ферромагнитный диск. В ходе реакций то выделяется, то поглощается энергия. Чтобы выдержать заданную температуру, надо регулировать мощность электромагнитного поля, а для этого необходимо знать, какова температура внутри центрифуги. Ваше предложение?

Эксперименты с этой задачей велись три года (потом задача была "разглашена"), накопилась любопытная статистика. До обучения ТРИЗ: из 382 человек правильно решили задачу только 8, среднее время на решение - полтора часа. После обучения: из 122 человек все 122 практически мгновенно (в процессе ознакомления с условиями) дали правильный ответ. Помогли простые правила:

1. Если дана задача на измерение, желательно использовать обходной путь - перейти к задаче на изменение системы (поставить вопрос: "Как изменить систему, чтобы отпала необходимость в измерении?").

2. Если дана задача на регулирование состояния вещества, желательно усложнить задачу, дополнительно потребовав, чтобы это регулирование происходило само по себе - за счет использования обратимых физических превращений, например, фазовых переходов, ионизации-рекомбинации и т. д.

3. Если дана задача на обеспечение оптимального режима действия, а обеспечить его трудно или невозможно, желательно идти обходным путем: установить максимальный режим, а избыток действия убрать.

Задача 9 - типичная задача на измерение. Переведем ее, следуя правилу 1, в задачу на изменение: надо так изменить нагревательный диск, чтобы он сам - без всяких измерений, без всякого контроля - поддерживал нужную температуру. Воспользуемся далее правилом 2; вещество нагревательного диска должно само "отключаться" от приема энергии при нагреве и само "включаться" при переохлаждении. Ответ очевиден. Необходимо выполнить нагревательный диск из материала с точкой Кюри в 200о. Остается учесть правило 3 и уточнить ответ. Мощность электромагнитного поля должна быть избыточной (на случай, если реакция идет с поглощением тепла), диск сам отберет нужную часть энергии и не нагреется выше 200 градусов.

Еще немного статистики. Из 382 человек 362 решали задачу именно на измерение. Все схемы получались громоздкими и ненадежными, многие схемы вообще оказались неверными: контроль за температурой мешал вращению центрифуги. 20 человек изменили задачу, стихийно действуя по правилу 1. Но только 8 из них пришли к идее использования перехода через точку Кюри...

Представьте теперь, что вам предлагают другую задачу.

Задача 10. Нужен паяльник, в котором автоматически поддерживалась бы определенная температура.

Можно с уверенностью утверждать, что, не дочитав условий задачи, вы уже будете знать ответ: индукционный нагрев плюс наконечник паяльника, выполненный из вещества с заданной точкой Кюри.

Правила, которые помогли решить задачи 9 и 10, взяты из так называемых стандартов. Кое-что о стандартах мы уже говорили (см. "ТиН", 1979, № 6). Это - сочетания, комплексы приемов (или приемов и физэффектов), дающие сильные решения для определенных классов задач. Пример стандарта: рабочие органы системы, развиваясь, закономерно переходят с макроуровня на микроуровень.

Продолжая знакомство со стандартами, прежде всего отметим, что каждый стандарт охватывает широкий класс задач. Поэтому хорошее владение 20- 30 стандартами дает возможность решать значительную часть встречающихся в практике задач.

Стандартная задача - не значит простая задача. Задача становится стандартной в зависимости от того, известны ли соответствующие законы развития технических систем. Некоторые сравнительно простые задачи до сих пор не поддаются стандартизации, их приходится "перемалывать" по АРИЗ, продвигаясь шаг за шагом. И наоборот: есть сложные задачи, которые легко решаются по стандартам.

Надо подчеркнуть, что стандарты указывают "хитрые", обходные подходы к задачам. В этом есть нечто парадоксальное; решение идет по правилам... неправильного (т. е. нетривиального) мышления.

Задача 11. Возьмем в качестве прототипа паяльник с наконечником, имеющим определенную точку Кюри. Нужно усовершенствовать паяльник.

Из 19 инженеров, которым была предложена эта задача, 7 просто отказались ее решать: "Формулировка неверная, неизвестно, что требуется..." 9 человек не пошли дальше туманных высказываний: "Наверное, надо уменьшить вес... или расход энергии... может быть, компоновку или внешний вид?.. Хорошо бы посмотреть паяльник в натуре..." 3 человека предложили использовать наборы сменных наконечников с разными точками Кюри. Идея небогатая: 30 или 50 сменных наконечников - это громоздко.

Из 16 инженеров, знающих стандарты, задачу правильно решили все 16... Статистика, конечно, небольшая, она отражает лишь качественную сторону дела. Но читатели могут сами продолжить опыты с задачей 11: всегда полезно проверить то или иное утверждение. Предложите задачу 11 своим коллегам, не читавшим "Практикум".

Стандарты начали применяться лет 5-6 назад. До этого все задачи приходилось решать путем постепенного анализа по АРИЗ. Помогая решать конкретные задачи, АРИЗ давал и другую продукцию: постепенно накапливались сведения о типах задач. Оказалось, что внешне совершенно непохожие задачи, относящиеся к различным отраслям техники, в некоторых случаях имеют удивительно сходные решения. Появилась возможность выделить несколько типов задач и указать соответствующие этим типам решения. Так возникли первые стандарты. Их число быстро увеличивалось. Изучение законов развития технических систем, исследование приемов, вепольный анализ - все эти разделы ТРИЗ тоже вели к выделению новых стандартов. В современной ТРИЗ стандарты играют важную роль: решение любой задачи должно начинаться с применения стандартов. И только в тех случаях, когда задача оказывается нестандартной, приходится вести индивидуальную "обработку" по АРИЗ.

Описание каждого стандарта - это 10-15 страниц текста: формула стандарта, подробные обоснования и пояснения, примеры, частные случаи и примеры к частным случаям, задачи... Тексты стандартов пока издавались в виде препринтов - небольшими тиражами для применения на занятиях по ТРИЗ в школах технического творчества. Здесь, в рамках "Практикума", нет возможности привести тексты стандартов. Но мы рассмотрим систему, образуемую стандартами, и дадим представление хотя бы о некоторых из них.

Стандарты делятся на три класса:

1) стандарты на изменение систем;

2) стандарты на обнаружение и измерение систем;

3) стандарты на применение стандартов.

Разграничение измерительных и "изменительных" задач обусловлено разным характером противоречий, возникающих в процессе их решения. В задачах на измерение, как правило, противоречие связано с тем, что измерение вызывает недопустимые изменения системы. Если запрета на изменение системы нет, задача переводится в "изменительную": необходимость в измерениях отпадает или же измерения резко упрощаются.

Задача 12. Изделия из керамики выполнены в виде сосудов со стенками неправильной формы и переменной толщины (рис. 1). Как измерить толщину стенок? Разрушать, изменять изделия нельзя.

Не будь такого запрета, задача решалась бы без всяких трудностей. Срезали дно - и можно легко проводить измерения. Или: в сырье введен ферромагнитный порошок, стенки изделия становятся магнитными, толщину можно измерять снаружи. Однако все эти изменения запрещены условиями- задача сугубо измерительная...

Класс "Стандарты на изменение систем" включает шесть подклассов:

1. Синтез простых вепольных систем.

2. Преобразование простых вепольных систем.

3. Синтез сложных вепольных систем.

4. Переход к фепольным системам.

5. Разрушение вепольных и фепольных систем.

6. Переход к принципиально новым системам.

Подклассы (и стандарты внутри подклассов) расположены в том порядке, в котором исторически развиваются системы. Поэтому при решении задач нет необходимости наугад перебирать стандарты.

Возьмем, например, задачу 11. Дана вепольная система: электромагнитное поле и два вещества (наконечник паяльника и припой). Обратимся к стандартам второго подкласса. Первый из них гласит: эффективность вепольной системы может быть повышена путем увеличения степени дисперсности (дробления) вещества, играющего роль инструмента. Последуем этому совету, превратим наконечник паяльника в порошок. Добавим этот порошок в припой. Получится припой, плавящийся в электромагнитном поле. Такая вещь есть, придумали ее несколько дет назад (частицы железа повышают прочность припоя - в этом суть новшества). Но у нас кое-что сверх известного: мы вводим в припой частицы с определенной точкой Кюри, это позволит эффективнее управлять процессом пайки.

Следующий стандарт. Смысл его таков: системы с фиксированными характеристиками неизбежно вытесняются системами с характеристиками, которыми можно управлять. Стандарт сразу проясняет задачу 11: нужно научиться изменять точку Кюри наконечника паяльника, причем это должно быть достигнуто за счет обратимых изменений вещества самого наконечника.

В тексте стандарта есть пример: изменение точки Кюри в зависимости от механических напряжений. Создать напряжение в наконечнике нетрудно, возможны простые механические устройства. Новизна и полезность четко видны, а ведь решение "выдано" стандартом, правилом...

Применять стандарты легко, для того они, собственно, и созданы. Но выявление новых стандартов требует большой работы. Обнаружить факт перехода от "жестких" систем к системам "динамичным" сравнительно несложно. Вспомним хотя бы убирающиеся шасси самолета, появление летательных аппаратов с меняющейся геометрией крыла... Однако, чтобы "динамизация" могла быть положена в основу стандарта, нужно исследовать многие тысячи патентов и авторских свидетельств - до тех пор, пока не станет ясно, что "динамизация" является закономерным этапом в жизни каждой технической системы.

Kлacc "Стандарты на измерение систем" по структуре похож на класс "изменительных" стандартов: синтез простых веполей, их преобразование, переход к сложным веполям и т. д. Но есть и чисто "измерительный" подкласс "Обходные пути решения". Один из стандартов этого подкласса нам уже знаком: задачу на измерение, если нет прямого и обоснованного запрета, целесообразно перевести в задачу нa изменение.

Вернемся к задаче 12. Стандарт, относящийся к этой задаче, звучит так: "Если нужно произвести измерения в вепольной системе, следует применить поле, проходящее сквозь систему и выносящее информацию о ее состоянии". Действительно, электрическое сопротивление стенок пропорционально их толщине. Но вот проблема: для измерения сопротивления надо установить внутренний электрод точно над внешним. А как это сделать? Стандарт не срабатывает... Но обратите внимание: в стандарте речь идет о вепольной системе, а у нас система невепольная. Даны одно вещество (сосуд) и поле. Для перехода к вепольной системе нужно ввести второе вещество, причем теперь ясно, в чем его функция, - оно должно доставлять ток к любой точке на внутренней поверхности сосуда. Техническое решение показано на рис. 2. Электропроводная жидкость, залитая внутрь сосуда, обладает пренебрежимо малым сопротивлением по сравнению с сопротивлением стенок сосуда. Омметр показывает сопротивление в точке, к которой приложен внешний электрод, а это сопротивление пропорционально толщине стенок в данном месте.

Несколько слов о третьем классе стандартов. Многие стандарты двух первых классов связаны с вепольными преобразованиями. Эти преобразования подчас вступают в конфликт с условиями задачи: нужно, например, ввести вещество, а условия задачи это запрещают. Или нужно ввести большое количество вещества, а это громоздко, сложно, дорого. Здесь тоже есть свои "хитрости" - соответствующие стандарты. Об одном из них (как вводить вещество, когда вводить его нельзя) мы говорили в "ТиН" № 4 за прошлый год.

Система стандартов пополняется и совершенствуется. Проходят испытания нескольких десятков "кандидатов в стандарты", в том числе и необычный стандарт на решение... нерешенных задач. Представьте себе, что вам предложили задачу, которая на нынешнем этапе развития науки и техники действительно не может быть решена. Анализ патентных материалов показывает, что и в этих, казалось бы, безнадежных случаях есть "хитрые" обходные пути... Об этом мы еще расскажем.

А пока предлагаем вполне решаемую задачу:

Задача 13. В авторском свидетельстве N° 193349 описано устройство для ввода сыпучих материалов в горизонтальный трубопровод (рис. 3). Под бункером установлена площадка.

Ее высоту подбирают так, чтобы угол откоса материала не позволял порошку высыпаться за пределы площадки. Благодаря этому в поток воздуха поступает ровно столько порошка, сколько поток может унести, предотвращается образование пробок. Спрогнозируйте дальнейшее развитие этой системы: какие изобретения должны появиться? На чем основан ваш прогноз?

Ждем ваших писем.

Г. АЛЬТШУЛЛЕР,
инженер
г. Баку