Ситуация - задача - модель задачи

Главы из книги "Творчество как точная наука" Г. С. Альтшуллер, 1979.

Процесс изобретательского творчества начинается с выявления и анализа изобретательской ситуации. Изобретательская ситуация - это любая технологическая ситуация, в которой отчетливо выделена какая-то неудовлетворяющая нас особенность.

Слово "технологическая" использовано здесь в самом широком смысле: техническая, производственная, исследовательская, бытовая, военная и т. д.

Рассмотрим, например, такую ситуацию. Для изготовления предварительно напряженного железобетона нужно растянуть арматуру (стальные стержни). В растянутом состоянии арматуру закрепляют в форме и подают бетон. После затвердевания бетона концы арматуры освобождают, арматура укорачивается и сжимает бетон, повышая его прочность. Для растяжения арматуры использовали гидравлические домкраты, но они оказались слишком сложными и ненадежными. Был предложен электротермический способ растяжения: арматуру нагревают, пропуская ток, она удлиняется, и в таком состоянии ее закрепляют. Если в качестве арматуры используют стержни из обычной стали, все в порядке - стержни достаточно нагреть до 400°, чтобы получить требуемое удлинение. Но выгодно использовать не стержни, а проволоку, выдерживающую большие усилия. Для удлинения проволоки на расчетную величину необходима температура 700°, но проволока теряет свои высокие механические качества при нагревании (хотя бы и кратковременном) выше 400°. Расходовать на изготовление железобетона дорогостоящую жаропрочную проволоку недопустимо.

Такова ситуация. С изготовлением железобетона связано множество различных проблем. В ситуации выделена только одна - растяжение проволочной арматуры. Подразумевается, что для решения этой проблемы надо что-то предпринять. Однако в ситуации нет указаний, что при этом допустимо менять в исходной технической системе. Можно ли, например, вернуться к использованию гидродомкратов, попытавшись как-то их улучшить? Может быть, следует усовершенствовать технологию изготовления жаропрочной проволоки, чтобы снизить ее стоимость? А может быть, вообще поискать принципиально новый способ растяжения арматуры?

Ситуация не содержит ответов на подобные вопросы. Поэтому одна и та же ситуация порождает разные изобретательские задачи.

Для изобретателя особенно важно умение переводить ситуацию в задачи минимальные и максимальные.

Минимальная задача может быть получена из ситуации по формуле: то, что есть, минус недостаток, или то, что есть, плюс требуемое достоинство (новое качество). Таким образом, минимальная задача получается из ситуации введением предельных ограничений на изменение исходной технической системы. Максимальная задача, наоборот, получается предельным снятием ограничений: исходную систему разрешается заменить принципиально иной системой. Когда мы ставим задачу улучшить парусное оснащение судна - это минимальная задача. Если же задача ставится так: "Вместо парусника нужно найти принципиально другое транспортное средство, имеющее такие-то показатели",- это задача максимальная.

Не следует считать, что переход к минимальной задаче обязательно ведет к решениям задач низших уровней. Минимальная задача может быть решена и на четвертом уровне. С другой стороны, переход к максимальной задаче не обязательно означает установку на получение решения задачи пятого уровня. Отказавшись от усовершенствования электротермического способа растяжения арматуры и взявшись за усовершенствование гидродомкратов, вполне можно выйти на изобретения первого, второго уровней.

В какую именно задачу, минимальную или максимальную, переводить данную ситуацию, - это проблема стратегии изобретательства, и мы еще к этому вернемся. Во всяком случае, очевидно, что при всех обстоятельствах целесообразно начинать с минимальной задачи: ее решение, обеспечивая положительный результат, то же время не требует сколько-нибудь существенного изменения самой системы и потому гарантирует легкость внедрения и экономический эффект. Решение и внедрение максимальной задачи может потребовать всей жизни, а иногда такая задача оказывается вообще нерешимой при данном уровне научных знаний. Поэтому, даже отдавая предпочтение максимальной задаче, целесообразно сначала рассмотреть задачу минимальную.

Как и всякая задача, изобретательская задача должна содержать указания на то, что требуется получить.

Типичная изобретательская задача выгладит так:

Задача 23

При изготовлении предварительно напряженного железобетона проволочную арматуру растягивают электротермическим способом. Но при нагревами на расчетную величину (700°) арматура теряет свои механические качества. Как устранить этот недостаток?

К "дано" здесь относится описание исходной технической системы. К "требуется" - указания на необходимость все сохранить (задача минимальная!), устранив только имеющийся недостаток. "Дано" и "требуется" могут быть изложены в произвольной форме. "Дано" может содержать избыточные сведения и не содержать сведений, совершенно необходимых. "Требуется" обычно бывает сформулировано в виде административного или технического противоречия, но нечеткого, неполного, иногда вообще неверного. Поэтому решение должно начинаться с построения модели задачи, предельно упрощенно, но вместе с тем точно отражающей суть задачи: техническое противоречие и элементы (части исходной технической системы), конфликт между которыми создает техническое противоречие.

Даны тепловое поле и металлическая проволока. Если нагревать проволоку до 700°, она получит необходимое удлинение, но утратят прочность.

Прежде всего, при переходе от задачи к модели устранена специальная терминология ("электротермический способ", "арматура"). Убраны все лишние элементы системы. Нет, например упоминания об изготовлении железобетона: суть задачи в том, как растянуть проволоку, а для чего именно растягивать - безразлично. Ничего не изменится, если растянутая проволока будет использована, скажем, для армирования стеклянных балок. Убрано упоминание о том, что проволоку нагревают электрическим током. Задача сохранится в том случае, если мы просто поместим проволоку в печь или будем нагревать ее инфракрасным излучением. Оставлены только те элементы, которые необходимы и достаточны, чтобы сформулировать техническое противоречие.

Каждое техническое противоречие может быть изложено двояко: "Если улучшить А, то ухудшится Б" и "Если улучшить Б, ухудшится А". При построении модели задачи следует брать ту формулировку, в которой речь идет об улучшении (сохранении, усилении и т. д.) основного производственного действия (свойства). Из двух формулировок "Если нагревать проволоку до 700° она получит необходимое удлинение, но потеряет прочность" и "Если не нагревать проволоку до 700°, она сохранит прочность,. но не получит -необходимого удлинения" следует взять первую: она обеспечивает основное действие (удлинение проволоки) - то, во имя чего и существует взятая система "тепловое поле - проволока".

При переходе от ситуации к задаче и далее к модели задачи резко уменьшается свобода выбора (т. е. свобода перебора пустых проб) и нарастает "дикость" в постановке задачи.

Пока мы имели дело с ситуацией, было множество возможностей: а если пойти по пути усовершенствования гидродомкратов? А если построить пневматический домкрат? А если сделать гравитационный домкрат, в котором проволока будет растягиваться тяжелым грузом? А если допустить потерю прочности при нагревании, но потом как-то восстановить эту прочность?.. Переход к задаче отсекает множество подобных возможностей. Должен быть сохранен электротермический способ, имеющий множество преимуществ; нужно лишь убрать единственный недостаток.

Следующий шаг еще более сужает выбор: мы заведомо будем использовать температуру в 700°, все компромиссы исключены, будет такая температура! Но вопреки природным свойствам взятого вещества эта высокая температура не испортит проволоки... Задача не только резко сузилась, она стала "дикой", "очевидно нелепой", "противоестественной". Однако это всего лишь означает, что мы отбросили огромное число тривиальных вариантов, и вышли в парадоксальную область сильных решений.

При построении модели задачи используются термины вепольного анализа: "вещество", "поле", "действие" (с конкретизацией - какое именно). Это позволяет сразу, еще до решения, представить себе ответ в вепольной форме. В самом деле, даны тепловое поле и вещество, т. е. в модели задачи - неполный веполь. Ясно, что в ответе будет: "Необходимо ввести второе вещество".

Существуют правила, позволяющие точно строить модель задачи. Так, в пару конфликтующих элементов обязательно должно входить изделие. Вторым элементом чаще всего бывает инструмент, но в некоторых задачах оба элемента-изделия (например, в задаче 3 - щепа древесины и куски коры). Если не включать изделие в конфликтующую пару, модель задачи разрушается, мы возвращаемся к исходной ситуации. Уберите из модели задачи 23 изделие (проволоку), и снова зазвучат знакомые мотивы исходной ситуации: "А если чем-нибудь заменить арматуру железобетона? А нельзя ли вообще обойтись без ее растяжения?"

В некоторых задачах речь идет об однотипных парах изделий и инструментов. В таких случаях для построения модели достаточно взять одну пару.

Модель задачи включает только конфликтующие элементы, а не всю техническую систему. Поэтому модель порой кажется странной. Например, если в задаче дана техническая система, состоящая из сосуда, металлической пластинки и жидкости, действующей на пластинку, то в модели остаются лишь два элемента - пластинка (изделие) и жидкость (инструмент). В пространстве висит "кусок" жидкости, а в нем - пластинка... Реально этого "не может быть". Но модель и не должна быть отражением всей реальной технической системы, она лишь схема "больного места" системы.

Классифицировать задачи (не говоря уже о ситуациях) чрезвычайно трудно: суть задач скрыта за произвольным "словесным оформлением". Модели задач поддаются простой и четкой классификации. В основу этой классификации положена вепольная структура исходной технической системы. Такой подход позволяет сразу разделить задачи на три типа: дан один элемент, даны два элемента, даны три (или более) элемента. Каждый тип делится на классы - в зависимости от того, какие именно элементы даны (вещества, поля), как они между собой связаны, и можно ли их менять.

В приложении 2 приведена таблица основных классов моделей задач. Возьмем, например, задачу 23. В ее условии даны два элемента (тепловое поле и вещество), следовательно, задача относится ко второму типу. Поле и вещество связаны в задаче 23 двумя сопряженными действиями: если проволоку нагревать, она

удлиняется, теряя прочность. Одно действие полезно, другое вредно. Это задача класса 11.

Мы еще не раз обратимся к классификации моделей задач. Пока отметим только одно очень важное обстоятельство. Задачи первого типа (дан один элемент) почти всегда решаются достройкой веполя. Тут можно провести аналогию с химией. Галогены обладают разными свойствами, но есть некоторое общее свойство, довлеющее над всеми другими и обусловленное структурой внешней электронной оболочки атомов этих элементов: галогены стремятся получить недостающий электрон, достроить оболочку, сделать ее полной. Так обстоит дело и с моделями задач первого типа. Главное их свойство-стремление к достройке полного веполя. Задача 9 внешне мало похожа на задачу б. Даже с вепольных позиций есть некоторая разница: в задаче 9 надо обнаруживать маленькие капельки жидкости, а в задаче б - менять свойства почвы (притом большого количества). Но обе задачи относятся к первому типу моделей (дан один элемент) и имеют сходные вепольные решения: для решения обеих задач надо ввести второе вещество и поле, управляющее первым веществом через второе.

Задачи третьего типа без особых затруднений переводятся в задачи первого и второго типа. Если, например, по условиям задачи дан веполь (т. е. три элемента), этот веполь можно рассматривать как один элемент (вещество) и соединять его по обычным правилам с другими веществами и полями.

Поэтому "классические" изобретательские задачи - это задачи второго типа. Для конфликта нужно столкновение двух противоборствующих тенденций, стремлений, свойств, требований. В сущности, такое столкновение есть и в задачах первого типа: второго элемента нет в условиях задачи, но он подразумевается. Скажем, в задаче 20 указан один элемент-крупинка алмаза. Второй элемент, который мог бы быть указан в условиях задачи - инструмент, обычно применяющийся в подобных случаях, например пинцет. Крупинки алмаза в данном случае слишком малы, нет смысла даже пытаться укладывать их пинцетом, поэтому второй элемент вынесен за пределы задачи.

Г.С. Альтшуллер

ТРИЗ...