Освіта та самоосвіта

Все для студентов и самообразования

Морфологічний аналіз і синтез технічних рішень

Вступ

На сьогодні технологічне передбачення набуває ролі найважливішої методології інноваційного і соціально-економічного розвитку сучасного суспільства як на національному чи регіональному рівні, так і на рівні окремих галузей промисловості або великих підприємств і компаній. У соціальному плані метою технологічного передбачення є визначення суспільно і економічно найбільш вигідних технологій майбутнього. Потреба в передбаченні як процесі прийняття рішень для складних систем з людським фактором відносно їх можливої поведінки в майбутньому викликана зростанням актуальності задачі перебудови суспільства та якісного покращення життя людини. Такий процес прийняття рішень формується за допомогою методології сценарного аналізу, що зводиться до застосування окремих методів якісного аналізу в певній послідовності із встановленням чітко визначених їх взаємозв’язків [1]. Нині існує проблема недостатньо розробленої формалізації математичного апарату розв’язання задач технологічного передбачення, на основі якого можна отримати достовірні розв’язки щодо проблеми, яка розглядається. Тому в даній роботі увага приділяється розробці формалізації методу морфологічного аналізу.

Методи морфологічного аналізу складних проблем у систематизованому вигляді були розроблені швейцарсько-американським астрофізиком і фахівцем з аерокосмонавтики Ф. Цвікі як методи для впорядкування і дослідження повного набору відношень у багатовимірних комплексах задач, які не піддаються розв’язуванню. Цвікі застосовував цей метод до таких різних задач, як класифікація астрофізичних об’єктів, розробка реактивних та ракетних двигунів тощо. Пізніше метод було розширено і застосовано багатьма дослідниками з Європи і США в галузі вивчення майбутнього, в аналізі і моделюванні стратегій.

1. Поняття та особливості морфологічного аналізу

Метод морфологічного аналізу не дає нових, оригінальних ідей однак він дає можливість знаходити нові комбінації поєднання частин. І його доцільно використовувати, якщо виріб складається з декількох частин.

Класифікація, як елемент творчої діяльності, дозволяє швидше і точніше орієнтуватися у різноманітності понять і факторів. Тому не випадково, що морфологічний аналіз, як один з найбільш розповсюджених методів творчого пошуку, базується на класифікації.

Термін «морфологія» вживається в багатьох науках стосовно дослідження форм і структури об’єктів, що вивчаються. Сутність цього методу полягає у поділі будь-якої проблеми на відносно незалежні частинии, а потім в здійсненні пошуку всіх можливих рішень для практичної реалізації кожної з частин. На першому етапі загальне число всіх можливих рішень дорівнює числу можливих комбінацій. Наприклад, якщо проблему можна розділити на чотири частини, при чому є три рішення для першої частини, чотири рішення для другої частини і по п’ять рішень для третьої і четвертої частин, то загальна кількість рішень для реалізації проблеми, що досліджується, складає 3х4х5х5=300.

Всі частини проблеми і підходи до їх вирішення розміщуються у так званому «морфологічному ящику», який умовно може бути зображений у вигляді матриці.

В кожному рядку матриці записується частина проблеми, а в клітинках всі альтернативні шляхи їх вирішення.

Задача експертів полягає в тому, щоб уважно вивчити всі підходи що до вирішення кожної частини проблеми. На першому етапі слід відмовитись від явно неприйнятних шляхів вирішення, а потім методом послідовного виключення досягти такого положення, коли для вирішення кожної частини проблеми залишається тільки один шлях (один напрямок, варіант, засіб).

Іншими словами, в кожному осередку морфологічного ящика буде міститися тільки одне можливе рішення, або ящик взагалі не буде його мати. Наявність двох або більше рішень вимагає нових пошуків.

Морфологічний аналіз починається з певного рівня знань про об’єкт, що досліджується. Необхідність перебору всіх можливих альтернатив вирішення проблеми і вибір найбільш оптимального напрямку вимагає від дослідника різнобічні знання з різних галузей. Все це сприяє підвищенню знань про об’єкт, що досліджується, на якісно новий рівень[1, c. 65-66].

Застосування морфологічного методу ставить перед експертами задачу відмовитися від звичних стереотипів мислення і максимально використати свою ерудицію і знання для генерування нових оригінальних ідей, якщо навіть вони на перший погляд і парадоксальні.

При побудові морфологічного ящика мета не повинна зводитися тільки до находження окремих рішень. В результаті поглибленого морфологічного аналізу можна прийти до нових ідей щодо можливих рішень, а звідси недалеко до принципово нових напрямків вдосконалення управління конкретними об’єктами або технічних рішень.

Творець методу Ф. Цвіккі довів на конкретному прикладі ефективність свого методу, побудувавши морфологічну матрицю для реактивних двигунів, які працювали на хімічному паливі. Матриця містила 576 можливих варіантів.

Морфологічний аналіз полягає в розбитті досліджуваного об’єкта на характеристики та атрибути. При цьому характеристики повинні бути незалежними одна від одної. Після цього виписуються всі можливі реалізації атрибутів, наприклад для атрибуту фарба реалізаціями є червона, жовта або синя. Таким чином утворюється багатовимірна таблиця з різних комбінацій окремих реалізацій розглянутих атрибутів. Кожна комбінація являє собою окреме рішення поставленої проблеми. Таким чином методика дозволяє помітити нові комбінації і може призвести до оригінальних ідей.

Морфологічна таблиця має вигляд прямокутної матриці, яка побудована з п’яти стовбців і восьми рядків. Кожна клітка такої матриці містить інформацію щодо варіанту однієї з морфологічних ознак, тобто методу або технології навчання для удосконалення та розвитку стійко-довгочасової пам’яті студентів. Загальна кількість варіантів, що містить матриця, дорівнює добутку елементів (кліток) у кожному рядку, тобто 58 = 390625.

Морфологічна таблиця (матриця) вивчається, проводиться оцінка варіантів і вибираються найкращі з них. Розглянемо деякі перспективні, на наш погляд, варіанти, наприклад, А3 — Б1 — В3 — Г5 — Д4 — Є4 — Ж5 — З5. Цей варіант сприяє розвитку стійко-довгочасової пам’яті за рахунок поєднання процесів сприйняття навчальної інформації з розумовою діяльністю; розвитку правої півкулі головного мозку (особливо її підкоркової структури); володіння методами АРВЗ і ТРВЗ; вихованню моральних цінностей та відродженню і розвитку духовного потенціалу; забезпечення при викладанні навчального матеріалу постійної циркуляції інформації між блоками пам’яті; використання засобу запам’ятовування інформації у вигляді образів; розвитку здібності швидкого виконання дій у складних ситуаціях; використання можливостей селективного простору для забезпечення ідеального кінцевого результату.

Алгоритм морфологічного аналізу можна реалізувати шляхом побудови дерева цілей, де генеральною ціллю є удосконалення та розвиток стійко-довгочасової пам’яті (рівень 0), цілями першого рангу — індекси ознаки, а підцілями — варіанти ознак [3, c. 115-116].

Найбільш доцільно морфологічний аналіз проблеми проводити на базі ЕОМ. У зв’язку з цим морфологічний синтез також є програмовим. При проведенні морфологічного синтезу викладач має змогу програмового планування окремих фрагментів навчального заняття з тим, щоб цілеспрямовано використати всі методи і технології, які найбільш ефективно впливають на процес довгочасового запам’ятовування навчальної інформації. Синтез нового дерева проводиться на підставі результатів, які одержані шляхом програмового морфологічного аналізу.

Отже, метод морфологічного аналізу — це метод психологічної активізації творчого процесу. Його сутність полягає в об’єднанні в систему методів виявлення, підрахунку і класифікації всіх обраних варіантів певної функції досліджуваного об’єкта. Він проводиться за такою схемою:формулювання проблеми;постановка завдання;складання списку всіх характеристик обстежуваного продукту чи операції;формування переліку можливих варіантів рішення за кожною характеристикою у вигляді багатомірної таблиці («морфологічної шухляди»).

Морфологічний аналіз може мати кілька різних напрямків застосувань залежно від області дослідження: як система безпосередньо досліджується, щË саме являють собою класифікаційні ознаки, Õк проводиться оцінювання і пошук найкращих варіантів. Класичним способом застосування методу морфологічного аналізу є пошук принципово нових або вдосконалення конкретних соціально-економічних, організаційних або інших складних систем. У такому випадку побудова морфологічної таблиці ґрунтується на проведенні функціонально-елементного аналізу систем. В результаті формується морфологічна скриня, що вміщує в собі функції або узагальнені функціональні підсистеми й альтернативи, які реалізують відповідні функції.

У задачах технологічного передбачення проблема синтезу складної системи не постає одразу, а дослідження починаються з вивчення проблеми через її сканування з подальшою кластерізацією, аналізу стану або поведінки складних систем, розгляду і моделювання можливих подій тощо. Метод морфологічного аналізу є достатньо універсальним і придатним для застосування в таких задачах, однак слід чітко розуміти, які саме вхідні дані потрібні для виконання певних типів досліджень і ще може дати відповідне застосування морфологічного аналізу з погляду на технологічне передбачення [1].

Як приклад наведемо морфологічну таблицю для проведеного дослідження аварій у транспортній системі. Було обрано такі параметри проблеми:

1) характер аварійної ситуації: зіткнення з нерухомим об’єктом, зіткнення двох або більше транспортних засобів, наїзд на пішохода, відмова засобу пересування;

2) місце події: перехрестя, вузька дорога, широка дорога, тунель, міст, стоянка, двір;

3) час події: день (при природному освітленні), ніч (при штучному освітленні);

4) погодні умови: без опадів, дощ, сніг, ожеледиця, туман;

5) стан водія: нормальний, алкогольне сп’яніння;

6) попередня причина, яка призвела до аварії: перевищення швидкості, виїзд за межі смуги або проїзжої частини, рух на червоне світло, поворот/розворот у не призначеному для цього місці, раптова зупинка або зупинка в непередбаченому місці, рух у забороненому місці, не пов’язані з транспортним засобом фактори;

7) причина аварії: неуважність або помилка водія, втрата керування, свідоме порушення правил дорожнього руху (ПДР), несправність засобу  пересування, не залежні від водія фактори.

Конфігурацією морфологічної таблиці є один із можливих варіантів стану системи, фактично це сценарій “зовнішнього світу”, тобто факторів, які не залежать від нас.

Аналіз задач, що виникли, необхідний у разі відсутності чіткого формулювання мети досліджень або існування протиріч між цілями. Розкладення задачі на окремі складові дає змогу в подальшому порівнювати альтернативи розв’язання або стратегії з огляду на пристосованість до окремих компонентів мети. Як приклад можна взяти працю, в якій наведено дослідження наземних систем прицілювання. Насамперед було проведено морфологічний аналіз вимог до системи, залежно від вибору яких вже обиралась конфігурація самої системи.

Так само, як перший етап є надзвичайно важливим для успішності всієї процедури технологічного передбачення, так і вибір параметрів дуже важливий для методу морфологічного аналізу. Упущення важливих параметрів і їх значень може призвести до спотворення результатів дослідження. Водночас не слід надмірно збільшувати кількість параметрів, оскільки це призводить до надмірної кількості порівнянь.

Вісім-десять параметрів достатньо для опису більшості проблем. Якщо потрібна більша деталізація, то треба шукати способи декомпозувати проблему на дві або більше частин.

Іншою можливою проблемою на етапі визначення параметрів є нечітке їх формулювання, яке призводить до непорозумінь і подвійного тлумачення при заповненні експертами опитувальних форм для морфологічного дослідження [5].

Якісний аналіз. Основна частина процедури методу морфологічного аналізу відбувається на етапі якісного аналізу. Будується морфологічна таблиця, складаються і надаються експертам опитувальні форми. Отримані відповіді переводяться в числову форму і обробляються, проводиться врахування значень матриці взаємної узгодженості.

Створена модель дає змогу визначити найбільш ймовірні альтернативи для кожного параметра, найвірогідніші сценарії, а морфологічна таблиця в поєднанні з матрицею взаємної узгодженості дає надзвичайно гнучку модель, в якій будь-який параметр або параметри можна визначити як вхід і отримати інформацію про поведінку інших параметрів. Таким чином, можна знайти внутрішні зв’язки між параметрами розглядуваного об’єкта.

За результатами опитування експертів було сформовано матрицю взаємної узгодженості. При цьому брались середні оцінки оцінювання по всіх експертах.

Можна зробити такі висновки:

  • затримки довжиною більше трьох годин виникають, як правило, тільки на стадії розвантаження;
  • найбільш ймовірна причина затримки на стадії розвантаження — неякісний вантаж;
  • причина нестачі персоналу актуальна на всіх стадіях, крім екіпірування;
  • найбільша кількість коротких затримок виникає з причин нестачі персоналу і зношеності колій;
  • інші причини.

Як бачимо, навіть із досить простої морфологічної моделі з трьома параметрами можна отримати значну кількість якісної інформації.

Додаткову інформацію можна дістати, проводячи обчислення по оцінюванню кожного експерта з подальшою кластерною обробкою результатів. В такому випадку отримуються кластери експертних думок, які можуть істотно відрізнятися від середньої.

Отриману модель можна в подальшому використовувати для оцінювання сценаріїв з точки зору їх впливу на розглядувану ситуацію або ефективності в умовах цієї ситуації. Для сценаріїв також застосовується морфологічний аналіз і проводиться оцінка узгодженості між альтернативами елементів сценарію і альтернативами параметрів ситуації. Така двокрокова процедура описана в [6]. Застосування числового оцінювання узгодженості значень дає ще кращі результати, оскільки дозволяє ранжувати альтернативи елементів сценаріїв відносно їх якості в умовах розглядуваної ситуації.

Метод морфологічного аналізу є універсальним, гнучким і потужним методом, який може бути успішно застосованим при розв’язанні задач з технологічного передбачення. На етапі попереднього вивчення проблеми відбувається вибір найраціональнішого способу застосування методу для аналізу проблеми, що виникла. До типових способів використання методу відносять аналіз ситуацій, які повторюються багато разів з різними варіаціями або можуть статися в майбутньому, аналіз стану та/або поведінки деякої системи та аналіз задач, що виникли. На цьому ж етапі здійснюється вибір параметрів, які є важливими для морфологічного аналізу проблеми. На етапі якісного аналізу будується морфологічна таблиця, проводиться опитування експертів, обробляються результати опитування, формується морфологічна модель. Отримана модель може бути використана окремо для аналізу зв’язків між параметрами розглядуваного об’єкта або взята за основу для другого кроку морфологічного аналізу, в якому вивчаються сценарії. Подальші кроки процедури технологічного передбачення можуть використовувати дані, отримані за допомогою методу морфологічного аналізу: відносні ефективності альтернатив елементів сценаріїв з точки зору впливу на розглядувану ситуацію або проблему; ефективності альтернатив сценаріїв при конкретних реалізаціях або групах реалізацій розглядуваної ситуації; ризики, що виникають при виборі певних альтернатив елементів сценарію [7, c.10-12].

2. Особливості синтезу технічного рішення

Задача синтезу технічного об’єкта містить у собі створення структури проектованого об’єкта і розрахунок його параметрів. Ці дві частини синтезу називають структурним і параметричним синтезом.

Ідея методу морфологічного аналізу полягає в знаходженні найбільшої кількості, а гранично — й усіх можливих, способів розв’язання поставленої проблеми комбінуванням основних структурних елементів систем або ознак рішень, що дає змогу обрати найбільш доцільний із них. Із всіх цих варіантів обирається один або кілька цілісних варіантів, які є оптимальними відносно деякої функції цілі.

Цілями морфологічного аналізу і синтезу є:

  • відбір критичних параметрів, які найбільше впливають на розв’язання поставленої задачі;
  • системне дослідження всіх можливих варіантів розв’язання задачі, що випливають із технічного завдання, закономірностей побудови і суперечливих вимог до створення об’єкта;
  • реалізація сукупності операцій пошуку на морфологічній множині варіантів описів функціональних систем, що відповідають первісним вимогам.

Задача структурного синтезу полягає у відшуканні оптимальної або раціональної структури (схеми) технічного об’єкта для реалізації заданих функцій у рамках обраного принципу дії. Результати структурного синтезу можуть бути подані у вигляді переліку елементів разом з таблицею з’єднань; схеми алгоритмів; схеми розташування елементів із указівкою їхніх типів і т.п. [1, c. 93-94]

Задачі структурного синтезу важко піддаються формалізації, що пояснюється насамперед великою кількістю факторів, які впливають на різновиди, властивості й параметри синтезованих структур, а також труднощі розв’язання задач оптимізації великої розмірності при високому ступені деталізації опису синтезованих об’єктів.

Велика розмірність задач проектування складних систем і об’єктів приводить до доцільності блочно-ієрархічного підходу, при якому процес проектування розбивається на взаємозалежні ієрархічні рівні.

Існують різні способи класифікації задач структурного синтезу, що залежить від:

  • стадії проектування;
  • типу синтезованих структур;
  • можливості формалізації.

Залежно від стадії проектування розрізняють такі процедури структурного синтезу:

— вибір основних принципів функціонування проектованої системи;

— вибір технічного рішення в рамках заданих принципів функціонування;

— випуск технічної документації.

Залежно від типу синтезованих структур розрізняють задачі одномірного, схемного і геометричного аналізу.

Залежно від можливості формалізації розрізняють задачі, в яких можливий аналіз відомих рішень; задачі, що не можуть бути вирішені шляхом повного аналізу за прийнятний час; задачі пошуку варіантів структур у розрахунковій безлічі припустимих варіантів; задачі синтезу, розв’язання яких є проблематичним.

Спрощення аналізу є актуальною проблемою. Ієрархічний підхід зменшує число варіантів на кожному рівні і робить реальним розв’язання задачі визначення оптимальної структури технічного об’єкта.

Суть одержання математичних моделей об’єктів проектування для розв’язання задач структурного синтезу пояснимо на прикладах компонування, розміщення і трасування. Ці задачі мають місце при розподілі устаткування по виробничих цехах; при розміщенні цехів по території заводу; при проектуванні транспортних засобів; при конструюванні ЕОМ і т.д.

Система, у якої є недолік, який ми хочемо усунути її перевтіленням, є прототипом нового ТР. Ідея отримання в результаті попереднього аналізу ТЗ – задаток ТС. Однак ТС ще немає – її необхідно синтезувати, перевтілити прототип, відповідно до ідеї рішення.

Як правило, ідея рішення – це формування якого-небудь фізичного принципу, який використовується в новому об’єкті, сукупність будь-яких дій, функцій.

Синтез ТР полягає в визначенні матеріальних носіїв тих властивостей і функцій, які відповідають ідеї. Природні затрати на реалізацію ідеї повинні бути мінімальні.

Після визначення структури нової ТС починають її конструктор -сько – технічне доведення до конкретного рішення.

Коли рішення доведено до форми конкретного об’єкта, необхідно вияснити його технічні, техніко-економічні, показники і порівняти їх з аналогічними.

Заключний етап процесу рішення ТЗ представляє собою одночасно й перший – це виявлення недоліків створення недоліків створеної ТС. Він замикає один цикл і починає новий.

Синтез ТР – найбільш трудоємний етап. [3, c. 139]

Висновки

Методи морфологічного аналізу і синтезу знайшли широке застосування під час розв’язування задач пошуку нових науково-технічних рішень, а також у винахідницький практиці. Розроблені та впроваджені в навчальний процес ряду вищих навчальних закладів і технічних університетів алгоритми програмового морфологічного аналізу і синтезу, які призначені для реалізації функціонально-змістовного принципу системного підходу до найбільш актуальних задач у галузі інженерної педагогіки.

Морфологічний аналіз і синтез є найбільш розповсюдженими методами інженерно-технічної творчості, які базуються на класифікації та систематизації. Морфологічний аналіз полягає в тому, що під час розгляду та вирішення будь-якої проблеми виділяють певну кількість найбільш характерних для неї функціональних або структурних морфологічних ознак, що дозволяють визначити варіанти пошуку цих ознак. Для кожної морфологічної ознаки складають список конкретних варіантів вирішення. Варіанти морфологічних ознак будуються у вигляді морфологічної таблиці або «морфологічної матриці». Термін «морфологічний» пояснюється тим, що варіанти ознак визначаються, як правило, літерами якої-небудь абетки, наприклад, української мови. Перебираючи всілякі сполучення варіантів, можна виявити нові розв’язання, які при простому переборі можуть бути втрачені. Певна річ, що пошук найбільш доцільних варіантів необхідно проводити з застосуванням ЕОМ.

Отже, метод морфологічного аналізу ґрунтується на застосуванні комбінаторики, тобто на системному дослідженні всіх теоретично можливих варіантів, які випливають із закономірностей побудови (морфології) об’єкта, що аналізується. Синтез охоплює як відомі, так і нові, незвичайні варіанти.

Метод морфологічного аналізу, що має кілька різновидів, спрямований на подолання упередженості щодо існуючих думок про можливість і шляхи вирішення проблеми. З його допомогою поставлене завдання описують й аналізують як сукупність усіх можливих структурних (тобто морфологічних зв’язків) і відношень між елементами. Аналізу передує розробка морфологічних таблиць чи графіків.

Список використаної літератури

  1. Грабовецкий Б.Є.Основи економічного прогнозування. — Навчальний посібник. — Вінниця: ВФ ТАНГ, 2000.
  2. Згуровский М.З., Панкратова Н.Д. Технологическое предвидение. — К.: ІВЦ “Видавництво «Політехніка»”, 2005. — 156 с.
  3. Катренко А.В. Системний аналіз об’єктів та процесів комп’ютеризації: Навч. пос. — Львів: Новий світ-2000, 2000. — 424 с.
  4. Одрин В.М. Метод морфологического анализа технических систем. — М.: ВНИИПИ, 1989. − 312 с.
  5. Одрин В.М. Морфологический синтез систем: морфологические методы поиска. — К.: Ин-т кібернетики им. В.М. Глушкова АН УССР, 1986. — 40 с.
  6. Одрин В.М. Морфологический синтез систем: постановка задачи, классификация методов, морфологические методы “конструирования”. — К.: Ин-т кибернетики им. В.М. Глушкова АН УССР, 1986. — 37 с.
  7. Панкратова Н.Д., Савченко І.О. Застосування методу морфологічного аналізу до задач технологічного передбачення // Наукові праці / Миколаївський держ. гуманітарний ун-т ім. Петра Могили комплексу НаУКМА. Сер. Комп’ютерні технології, системний аналіз, моделювання. — 2008. — 90, вип. 77. — С. 6—13.