39469

МОРФОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ МОРФОЛОГИЧЕСКОГО АНАЛИЗА Склонность к классифицированию является важным компонентом творчества. Целью морфологического анализа является выявление существующих моделей технического объекта одной структуры. Основными принципами морфологического анализа являются: а максимально точная формулировка поставленной проблемы; бравный интерес ко всем существующим техническим решениям объекта исследования; в ограничения и оценки не учитывают пока не выявлены все возможные решения объекта проектирования; г систематическое...

Русский

2013-10-04

109.5 KB

44 чел.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА N 5

МОРФОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКИХ  РЕШЕНИЙ

  1.  Цель лабораторной работы

Целью данной лабораторной работы является изучение морфологического анализа технических решений.

  1.  ОСНОВНЫЕ ТеоретическИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

2.1.ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ МОРФОЛОГИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

Склонность к классифицированию является важным  компонентом творчества. Поэтому неслучайно одним из первых методов используемых в проектировании техники был морфологический метод, основанный на классифицировании и комбинировании элементов технического решения.

Метод был предложен швейцарским астрономом Ф. Цвикки. Но основные идеи метода были не новыми, они использовались еще Аристотелем и Платоном.

В широком смысле под морфологическим методом понимают многоаспектное описание объекта, то есть построение множества его моделей с единой структурой путем комбинирования его элементов. Главным описательным инструментом метода является таблица, которая позволяет наглядно представить один и тот же объект или его элементы в виде разных моделей, описаний, вариаций. Морфологический метод условно можно разделить на две части: морфологический анализ и морфологический синтез.

Целью морфологического анализа является выявление существующих моделей технического объекта одной структуры. При проектировании рассматриваются функциональные, структурные, конструктивные модели технической системы.

Основными принципами морфологического анализа являются:

а) максимально точная формулировка поставленной проблемы;

б)равный интерес ко всем существующим техническим решениям объекта исследования;

в) ограничения и оценки  не учитывают, пока не выявлены все возможные решения объекта проектирования;

г) систематическое покрытие поля решений, то есть все объекты данной области знания должны, по возможности, образовывать некое сплошное пространство технических решений, свойств и характеристик.

(Этот принцип помог Ф.Цвикки предсказать существование нейтронных звезд и некоторых видов реактивных двигателей).

Для проведения морфологического анализа, прежде всего, устанавливают структуру объекта проектирования. Элементы структуры  описываются с помощью признаков технического объекта, которые назвали морфологическими признаками или классификационные признаки. Выявление классификационных признаков является самой сложной задачей анализа, потому что описать существо изучаемой системы очень сложно. И чем более тщательно отбираются признаки, тем более точно представляется модель будущего изделия.  Морфологические признаки могут быть сформированы в результате проведения декомпозиции объекта или его элементов. Если декомпозиция изделия не затруднена, то признаки формулируются не сложно. Морфологические признаки могут носить названия моделей объектов проектирования, то есть классификационные признаки могут быть функциональными, структурными, конструктивными или комбинированными. При этом считается, что использование функциональных признаков приводит к более эффективным результатам синтеза решений. Это связано с тем, что функции выступают как онтология объекта, а конструкции или технология изготовления – как форма ее проявления.

После того как изделие описано, декомпозировано и сформулированы морфологические признаки, начинается работа по выявлению различных моделей морфологических признаков объекта. Для формирования поля решений для каждого классификационного признака, то есть для каждого элемента структуры подбирают множество вариантов их реализации.

Как было сказано, наиболее удобно морфологический анализ оформить в табличной форме, как морфологическую таблицу (или морфологическую матрицу), например подобного типа.

Классификационные признаки объекта, Рm

Варианты реализации признаков, Vmn

Р1

V11  , V 12 , …, V 1n

Р2

V21   , V22  , …, V2n

Рm

Vm1 ,V m2 , … , Vmn

Структура таблицы делает возможным упорядочить множества заключенных в ней вариантов решений и выбора оптимального из них. Для отображения всего многообразия изучаемого объекта обычно составляют несколько морфологических таблиц. В общем случае пространство возможных решений можно представить в виде многомерной матрицы.

Поиск информации о наиболее перспективных, принципиально новых альтернативных вариантах реализации признаков  осуществляют в специальной и патентной литературе. Варианты могут быть сформированы в результате использования эвристических приемов, синектических методов, метода мозгового штурма и других методов стимуляции творческой деятельности. Системное исследование всех мыслимых вариантов решения позволяет учесть не только известные, малоизвестные, необычные,  но и, может быть, фантастические и сказочные варианты. Такое разнообразие  предложений позволяет принимать более эффективные решения при синтезе объектов.

  ПРИМЕР

Необходимо провести морфологический анализ системы топливоподачи газотурбинных двигателей летательных аппаратов. После описания и декомпозиции камеры газотурбинных двигателей сформулируем функциональные (например, назначение камеры) и конструктивные (например, способ защиты стенки жаровой трубы) классификационные признаки. Далее на каждый морфологический признак подберем найденные варианты объекта,  в результате чего получим множество, составляющее пространство различных решений. Действия оформляются в морфологическую таблицу.

Таблица 1

Классификационные признаки

Варианты

реализации классификационных признаков

Функциона-льное назначение камеры в двигателе

V11–основная

V12 – форсажная

V13 –фотокамера

(запальная)

V14–комбинированная

Конструкти-вное оформление

V21–кольце-вая

V22-трубча-токольцевая

V23–трубчатая

V24-вихревая

Тип головки жаровой трубы

V3 1- с фронтовым устройством

   V32 -     со  щелевой головкой

V33- комбинированная


Продолжение таблицы 1

Классификационные признаки

Варианты

реализации классификационных признаков

Способ защиты стенки жаровой трубы

V41 –- воздуш-ное охлаж-дение

V42-жидкостное

V4 3—    

с покры-тием

V44 -    через порис-тые стенки

V4 5

без специа-льных мер

V4 6

комбинированный

Способ питания топливом

V4 1-под высоким давлением (форсунка)

V4 2-под низким давлением (испаритель)

Направление подачи топлива

V51 –с регулированием направления подачи

V5 2  –против тока

V53  пе-рпенди-кулярно току

V54 –под углом к току

V5 5 –по току

Тип топливопитания

V6 1 – с одноместной подаче

V62 – с многоместной подачей

Система охлаждения топливопитания

V7 1 –нерегулируемое

V 72 – регулируемое

При составлении примера использованы не все сформированные признаки камеры, а только те которые необходимы по смыслу поставленной задачи.

При тщательной проработке морфологического поля решений можно не только найти довольно большое количество возможных вариантов, но и спрогнозировать существование еще не найденных вариантов элементов технических систем.

Определим   количество возможных технических решений при комбинировании элементов на морфологической матрице. Это количество определяется как декартово произведение числа классификационных признаков Pn на число альтернативных реализаций каждого из этих признаков Vm , по формуле

                                       N = Pn х Vm .

В приведенном выше примере число возможных вариантов решений N= 11520.

Понятно, что чем больше матрица, тем большее количество подходящих решений можно из нее извлечь. Возникающее при этом противоречие между необходимостью увеличения поля решений, для того чтобы не пропустить из них «хорошие» и инструментальными ограничениями возможностей человека для работы с огромным множеством элементов, является постоянной проблемой морфологического анализа

В случае, когда поле решений получается неоправданно большим, его уменьшают. Множество возможных элементов сокращается или в процессе формирования морфологической матрицы или, уже, после того как она сформирована.

В ситуации уменьшения матрицы при ее формировании, прежде всего экспертно оцениваются классификационные признаки технической системы, их достаточность и необходимость. Малозначащие для окончательного решения задачи проектирования классификационные признаки или отбрасываются или объединяются с другими.

Второй вариант усечения матрицы – это сокращение множества альтернативных элементов, за счет отбрасывания малоэффективных, малопригодных или несовместимых вариантов реализации классификационных признаков непосредственно при формировании таблицы.

Отбрасывать решения и в первом и во втором случае нужно взвешенно и осторожно, чтобы не лишится оригинального варианта.

Способы усечения уже сформированной морфологической таблицы не приводятся, так как они подробно описаны в источниках 1 и 2.

Очень важной проблемой морфологического анализа является проверка на совместимость составляющих объект элементов. Эта проблема встает при составлении таблиц, описывающих несвязанные элементы, когда не учитываются отношения между элементами. Именно для этого в алгоритм проведения морфологического анализа начальным этапом часто вводят конструктивно-функциональный анализ объекта исследования. Этот шаг позволяет, выявить все функционально-значимые отношения между элементами.


3.ПОРЯДОК  ВЫПОЛНЕНИя  ЛАБОРАТОРНОЙ  РАБОТЫ

3.1.ПОДГОТОВКА К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

Перед выполнением лабораторной работы рекомендуется ознакомиться с теоретическим материалом, изложенным в подразделе 2 пособия, проработать рекомендуемую литературу и ответить на контрольные вопросы.

3.2.выполнение ЛАБОРАТОРНОЙ  РАБОТы

1.Подобрать технический объект, который вы будете усовершенствовать.

2.Максимально четко сформулировать требования к усовершенствованию объекта. Выбрать показатели качества, которые в первую очередь необходимо улучшить.

3. Провести конструктивно-функциональный анализ объекта. То есть определить структуру исследуемого объекта, декомпозировать его и затем определить функционально - значимые отношения между элементами системы.

4. Сформулировать классификационные признаки технического объекта для построения морфологической таблицы  

5. Подобрать варианты реализации классификационных признаков ТО, используя  различные литературные источники и методы стимулирования творческих способностей.

6.Вычислить число возможных решений при синтезе вариантов.

7. Оценить каждую альтернативу не менее, чем по трем критериям

8. Составить отчет о лабораторной работе, в который должны входить:

Название лабораторной работы.

Цель лабораторной работы, то есть сформулировать требования к усовершенствованию выбранного объекта.

Описание последовательности проведения морфологического анализа, на примере выбранного технического объекта.

Выводы.

4. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Сущность морфологического анализа технических объектов?

2. Как построить морфологическую матрицу?

3.Что такое классификационные признаки? Типы класси-фикационных признаков. Какие из них работают наиболее эффективно?

4.Какие источники и способы используют для выявления множества моделей технической системы?

5. Как подсчитать число максимально возможных вариантов решений при комбинаторном синтезе альтернатив?

6. В каком случае используются процедуры усечения множества вариантов?

7.Опишите методы усечения вариантов в ситуации построения морфологической таблиц?

8. Опишите методы усечения вариантов в ситуации уже готовой морфологической матрицы?

9. Назовите основные принципы морфологического анализа?

10.Какова цель проведения морфологического анализа?  


                   5. СПИСОК  рекомендуемой ЛИТЕРАТУРЫ

1.Половинкин А.И.. Методы инженерного творчества. Волгоград.- 1981.- 250 с.

2.Одрин. В.М. Методы морфологического анализа технических систем. – М.: ВНИИПИ, 1989. -312с.

3.Капустян.В.М., Махотенко. Ю.А. Конструктору о конструировании атомной техники. Системно-морфологический подход в конструировании.- М: Атомиздат,1981.

4.Николаюк. И.Б. и др. Применение морфологического анализа в исследовательском прогнозе:.В кн. Проблемы и практика прогнозирования в промышленности. - Л: Наука, 1973.

5.Одрин.В.М. Морфологический синтез систем: морфологические методы поиска.- Киев: Институт кибернетики АН УССР, 1986.


ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА N 6

МОРФОЛОГИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ТЕХНИЧЕСКИХ  РЕШЕНИЙ

  1.  Цель лабораторной работы

Целью данной лабораторной работы является изучение морфологического синтеза технических решений.

  1.  ОСНОВНЫЕ ТеоретическИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

2.1.ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ МОРФОЛОГИЧЕСКОГО СИНТЕЗА

Суть морфологического синтеза состоит в том, что в результате комбинаторного соединения различных элементов технического объекта (собранных в морфологическую таблицу) получают некоторое множество решений.  Каждое решение данного множества представляет собой набор обязательных элементов ТО, выделяемых в процессе системного анализа. Как правило, обязательными элементами объекта проектирования являются его конструктивные элементы и функции элементов, из которых он состоит. При синтезе учитывают законы и закономерности строения технических объектов, в частности, закон соответствия между структурой и функцией объекта.

Проведению морфологического синтеза всегда предшествует морфологический анализ. В результате проведения морфологического анализа технической системы проектировщик имеет хорошо структурированное поле перспективных элементов будущих решений в виде морфологической таблицы (матрицы).

Морфологическая матрица должна быть обозрима для исследователя, решающего использовать ее для синтеза. Если матрица не удовлетворяет этим требованиям, ее усекают до необходимых размеров. Имеется несколько вариантов проведения усечения.

Прежде всего, матрицу можно разбить на ряд отдельных матриц по какому-то признаку. Например, если устройство состоит из отдельных агрегатов или узлов, то каждая подматрица будет соответствовать отдельному узлу устройства. То есть синтезироваться будет каждый отдельный агрегат, а затем соединяться в единый объект.

Матрицу можно уменьшить посредством исключения из нее наихудших комбинаций элементов, используя, например. Работа эта трудоемкая, но в некоторых случаях обязательная и самое главное дающая положительные результаты. К наихудшим комбинациям относят не совместимые, не реализуемые или трудно реализуемые решения по мотивам техническим, экономическим или социальным. К неподходящим комбинациям так же относят варианты,  мало влияющие на достижение поставленных при проектировании целей.

Таблица 1

Классификационные признаки

Варианты

реализации классификационных признаков

Функциональное назначение камеры в двигателе

V11 –основная

V12 – форсажная

V13 – запальная камера

V14–комбинированная

Конструктивное оформление

V21–кольце-вая

V22-трубчатокольцевая

V23–трубчатая

V24-вихревая

Тип головки жаровой трубы

V3 1- с фронтовым устройством

   V3 2-     со  щелевой головкой

V3 3- комбинированная

Способ защиты стенки жаровой трубы

V41 –- воздуш-ное охлаж-дение

V42-жидкостное

V4 3—    

с покры-тием

V44 -    через порис-тые стенки

V4 5

без специа-льных мер

V4 6

комби-нированный

Способ питания топливом

V5 1-под высоким давлением (форсунка)

V5 2-под низким давлением (испаритель)

Направление подачи топлива

V6 1 –с регулированием направления подачи

V6 2  –против тока

V63  пе-рпенди-кулярно току

V64 –под углом к току

V6 5 –по току

Тип топливопитания

V7 1 – с одноместной подаче

V72 – с многоместной подачей

Охлаждение

V8 1 –нерегулируемое

V 82 – регулируемое

 

Для более четкого установления худших вариантов или их комбинаций, с целью усечения морфологической матрицы, прибегают к оцениванию ситуации. Для оценивания используют экспертов или какие-либо известные математические методы.

После приведения в порядок морфологического множества его можно использовать для синтеза вариантов. Возьмем для примера уже известную задачу с камерой газотурбинных двигателей летательных аппаратов. Примеры синтеза одного решения по шагам приведены в таблице 1. Направление движения стрелок указывает на порядок синтеза.

В результате синтеза получим одно решение, которое условно можно записать как R1= V11 , V21  , V3 3 , V42 , V5 1 , V6 2 ,  V72 , V 82.  Всего из этой матрицы, как мы установили раньше, можно получить возможных вариантов решений N= 11520.

Одной из проблем морфологического синтеза является проверка на совместимость элементов составляющих синтезированные структуры объект. Эта проблема встает при формировании пространства решений, описывающего несвязанные элементы, когда не учитываются отношения между элементами. Именно для этого в алгоритм проведения морфологического анализа введено проведение конструктивно-функционального анализа объекта исследования. Этот шаг позволяет, выявит все функционально-значимые отношения между элементами.

Кроме того при синтезе множества новых вариантов исследуемого технического объекта необходимо учитывать запрещенные комбинации и обязательные сочетания элементов.

Цель проектирования любого технического объекта найти одно решение, которое удовлетворяло бы сформированному ТЗ. Для того чтобы из множества синтезированных решений выбрать лучшее, их необходимо предварительно оценить и сравнить. Для оценки используют различные эвристические, аналитические и экспертные методы. Рассмотрим один из вариантов выбора наиболее эффективного решения: выбор по одному критерию и выбор с использованием интегрального (обобщенного) критерия.


Таблица 2

Наименование

элемента

Оценка элементов по критериям

расход материала

экономичность изготовления

технологичность

Функциональное назначение камеры

- V11 -основная;

- V12 -форсажная;

- V13- запальная;

- V14–комбинирова-

  •  нная

3

5

4

5

3

4

5

3

4

5

5

4

Конструктивное оформление

-V21–кольцевая;

-V22-трубчатоколь-цевая;

-V23–трубчатая;

- V24-вихревая.

4

3

4

5

3

3

4

4

4

4

4

4

Тип головки жаровой трубы

-V3 1- с фронтовым устройством;

-V3 2-     со  щелевой головкой ;

-V3 3- комбинированная

4

4

5

3

5

4

5

5

4

Способ защиты стенки жаровой трубы:

-V41 –- воздушное охлаждение;

-V42-жидкостное;

-V4 3   с покрытием;

-V44 - через пористые стенки;

-V4 5без специальных мер;

-V46комбинированный

3

3

3

4

3

5

4

3

3

5

5

5

3

5

5

3

4

5


Продолжение таблицы 2

Наименование

элемента

Оценка элементов по критериям

расход материала

экономичность изготовления

технологичность

Способ питания топливом:

-V5 1-под высоким давлением (форсунка);

-V5 2-под низким давлением (испаритель);

4

4

3

5

4

4

Направление подачи топлива:

V6 1 –с регулированием направления подачи;

V6 2  –против тока;

V63–перпендикулярно току;

V64 –под углом к току;

V6 5 –по току.

3

3

4

5

5

4

4

4

5

5

4

4

4

5

4

Тип топливопитания:

V7 1 – с одноместной подаче

V72 – с многоместной подачей

4

5

5

5

5

5

Охлаждение:

V8 1 –нерегулируемое

V 82 – регулируемое

4

5

4

5

4

4


3.ПОРЯДОК  ВЫПОЛНЕНИя  ЛАБОРАТОРНОЙ  РАБОТЫ

3.1.ПОДГОТОВКА К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

Перед выполнением лабораторной работы рекомендуется ознакомиться с теоретическим материалом, изложенным в подразделе 2, проработать рекомендуемую литературу и ответить на контрольные вопросы

3.2.ВЫПОЛНЕНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ  РАБОТЫ

1.Подобрать технический объект, который вы будете усовершенствовать.

2.Составить морфологические таблицы так, как показано в предыдущей лабораторной работе.

  1.  Вычислить число возможных решений при синтезе вариантов.

4.Сократить число возможных вариантов одним из имеющихся способов.

5.Синтезировать возможные решения  путем перебора возможных сочетаний с учетом оценок по критериям

6. Выбрать лучшие решения  по каждому  критерию и описать их.

7. Выбрать три  лучших решения с помощью обобщенного (интегрального) критерия выбора, использовав аддитивную свертку критериев с назначением весового коэффициента каждому критерию с последующим суммированием.

Лучшие проектные компоновки описать.

8.Составить отчет о лабораторной работе, в который должны входить:

Название лабораторной работы,

Цель лабораторной работы,

Порядок выполнения лабораторной работы

Выводы.

4. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Сущность морфологического синтеза технических объектов?

4.Каковы способы усечения множества альтернатив при излишне большой их мощности?

6.Как выбрать лучший вариант из имеющегося множества ? Что такое критерий выбора? Чем отличается критерий качества от показателя качества?

4. Перечислить достоинства и недостатки метода.


                   5. СПИСОК  РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

  1.  Половинкин А.И. Методы инженерного творчества. Волгоград, 1981.- 250 с.
  2.  .Одрин В.М. Методы морфологического анализа технических систем. – М.: ВНИИПИ, 1989. -312с.
  3.  Капустян В.М., Махотенко Ю.А..Конструктору о конструировании атомной техники. Системно-морфологический подход в конструировании.- М.:Атомиздат,1981.
  4.  Николаюк И.Б. и др. Применение морфологического анализа в исследовательском прогнозе. В кн.: Проблемы и практика прогнозирования в промышленности. - Л: Наука, 1973.
  5.  Одрин В.М.. Морфологический синтез систем: морфологические методы поиска. -Киев: Институт кибернетики АН УССР 1986.

PAGE   \* MERGEFORMAT 6


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

72624. Правовой механизм государственного контроля в сфере естественных монополий. Методы регулирования деятельности субъектов монополий 21.44 KB
  В целях проведения эффективной государственной политики в сферах деятельности субъектов естественных монополий органы регулирования естественных монополий осуществляют государственный контроль надзор за действиями которые совершаются с участием или в отношении субъектов...
72625. Права и обязанности органов регулирования деятельности субъектов монополий по рассмотрению дел о нарушениях законодательства о монополиях 16.59 KB
  В соответствии с постановлением Правительства РФ от 30 июня 2004 г. N 332 Федеральная служба по тарифам является федеральным органом исполнительной власти по регулированию естественных монополий, осуществляющим функции по определению (установлению) цен (тарифов) и осуществлению контроля по вопросам...
72626. Субъекты монополий и особенности регулирования их деятельности. Орган регулирования деятельности субъектов монополий в РФ: история их становления и правовое положение 26.94 KB
  Исключительность таких субъектов может носить как экономический например в сфере естественной монополии так и юридический характер например временная или государственная монополия. Некоторые права которыми обладает субъект монополии действуют лишь в течение определенного времени и носят срочный...
72627. Допустимость действий (бездействия), соглашений, согласованных действий, сделок, иных действий 16.08 KB
  В силу ст. 13 Закона о защите конкуренции некоторые виды деяний запрещенные ст. 10 того же закона могут быть признаны допустимыми, если они не создают возможность для отдельных лиц устранить конкуренцию на соответствующем товарном рынке, не налагают на их участников или третьих лиц ограничения...
72629. Спецификация оператора FORMAT 13.95 KB
  Спецификация I используется для ввода-вывода информации целого типа. Поэтому переменная, которой присваивается считанная величина, обязательно должна быть целого типа (начинаться с букв I, J, K, L, M, N или должна быть описана при помощи оператора INTEGER). В противном случае при трансляции будет обнаружена ошибка.
72630. Форматный ввод-вывод 13.21 KB
  В памяти данные хранятся в виде последовательностей нулей и единиц. Однако при вводе и выводе входные и выходные данные представляются в виде отличном от внутреннего представления. Преобразование данных из внутреннего представления при выводе и во внутреннее представление при вводе...
72631. Бесформатный ввод-вывод 12.53 KB
  Бесформатную форму ввода вывода чаще всего применяют при вводе а также при отладочной печати. Если важны не только сами значения но и форма их представления то используют форматный вывод рассматриваемый позднее.
72632. Операторы ввода и вывода 23.84 KB
  Опишем процедуру организации ввода-вывода с использованием файлов. В Фортране-90 различают два вида файлов: внешние файлы – это поименованная область во внешней памяти ЭВМ – и внутренние файлы. Файлы Фортрана подразделяются на файлы последовательного и прямого (произвольного) доступа.