Концептуальное проектирование является основополагающим, наиболее трудоемким и важным этапом проектирования, важнейшая составляющая процесса создания нового технического решения, определяющая законченный облик решения, и включающая проведение исследования и согласование характеристик созданных технических решений с возможной их последующей организацией. Именно на этом этапе правильные решения обеспечивают наибольшую выгоду, и, в конечном итоге, именно число проработанных концепций будущего изделия определяет его новизну и качество, а следовательно, его конкурентоспособность и объем продаж. Концептуальное проектирование нового технического устройства сводится к выполнению трех фаз [4, 5]:

Фаза 1 – структурный анализ и синтез нового физического принципа действия устройства.

Фаза 2 – морфологический анализ и синтез – поиск наиболее эффективной конструктивной реализации (по совокупности эксплуатационных характеристик) принципа действия, осуществляемый на множестве вариантов технических реализаций отдельных элементов.

Фаза 3 – анализ и синтез обобщенных приемов улучшения эксплуатационных характеристик синтезированной конструкции.

Для прохождения первых фаз могут применяться системный подход к инженерному проектированию (немецкие профессора Pahl и Beitz, 1970) [14], метод концептуального проектирования (Р. Коллер, Германия) [13], автоматизированное поисковое проектирование (А.И. Половинкин, В.А. Камаев, С.А. Фоменков (Россия)) [1, 10, 11], энерго-информационный метод поиска новых технических решений (М.Ф. Зарипов, И.Ю. Петрова, О.М. Шикульская) [6, 15–17]. Для автоматизации процессов этих фаз разработаны информационные системы: САПФИТ [12, 16], АСПИТ «Интеллект» [7], Эффекты 200, изобретающая программа «Новатор» [8] и другие.

На третьей фазе концептуального проектирования технического устройства могут применяться универсальные приемы Г.С. Альтшуллера, которые задают направление инженерной мысли, описывают общий подход к улучшению, используются для разрешения технических противоречий [2, 3] и авторские специализированные обобщенные приемы – направленное изменение конструкции, схемы, использование новых материалов и другие способы, с помощью которых в конкретном техническом решении получен положительный эффект по сравнению с прототипом [9]. Работа с такими приемами не автоматизирована, и отсутствует общая технология выбора, оценки и применения таких приемов.

Цель данной работы: разработка комплексного критерия оценки эффективности и процедур выбора обобщенных приемов по требованиям к улучшаемым характеристикам и для определения патентоспособности (изобретательский уровень).

Оценка эффективности обобщенного приема. Определение критериев оценки

Для оценки эффективности обобщенного приема в работе предложено использовать следующие критерии:

1. Коэффициент универсальности приема Kунив(UC) – показатель, характеризующий степень цитирования приема в документах, который определяется по формуле:

,

где Dpr – количество документов, описывающих (цитирующих) данный прием; D – общее количество научно-технических документов в базе для определенной группы устройств.

2. Коэффициент экспертной оценки Kэо(CE) – показатель, который позволяет оценить эффективность приема с учетом экспертных оценок степени улучшения или ухудшения значения эксплуатационных характеристик. Этот коэффициент определяется по формуле

,

где ЭОi – экспертная балльная оценка i характеристики (для ухудшающихся характеристик – со знаком минус): ЭО∈Х и ЭО∈(– 1)Y; α – общее количество затрагиваемых характеристик: ; max – максимальная экспертная балльная оценка степени улучшения (ухудшения) значения характеристики (за основу берется max = 5).

3. Количество одновременно улучшаемых Count(I) или ухудшаемых Count(W) эксплуатационных характеристик в результате применения данного приема;

4. Пользовательская рейтинговая оценка (R) – выставляется инженером-конструктором по итогам применения данного приема (в баллах от 1 до 5).

На основании критериев: Count(I), Count(W), Кэо, Кунив, R формируется комплексный критерий оценки эффективности приема, который рассчитывается по формуле

+

+

где – средневзвешенные нормированные веса критериев (устанавливаются инженером-конструктором):

, m – количество учтенных критериев. Если необходимость учитывать критерий отсутствует, то ; Countmax – максимальное количество эксплуатационных характеристик, затрагиваемых в данной группе устройств; max – максимальная балльная оценка степени улучшения или ухудшения значения эксплуатационной характеристики. Так как все составляющие комплексного критерия могут принимать значения от 0 до 1: Кунив, Кэо, R∈[0, 1], то сам комплексный критерий может принимать значения в диапазоне от – 1 до + 1: KO∈[– 1, 1].

Основные бизнес-процессы, протекающие на заключительной фазе концептуального проектирования

Инженер-конструктор на последней фазе концептуального проектирования может выполнить одну из следующих задач:

1) выбор возможных приемов улучшения для заданных эксплуатационных характеристик (см. рис. 1);

2) определение условий патентоспособности принципа действия технического устройства (изобретательский уровень) (см. рис. 2).

Процедура выбора обобщенных приемов по требованиям к улучшаемым эксплуатационным характеристикам

Процедура выбора эффективного приема улучшения эксплуатационной характеристики технического устройства сводится к выполнению следующих шагов:

Шаг 1. Определить множество критериев, по которым будут оцениваться приемы:

.

Шаг 2. Формируется решающее правило для отнесения приема к классу допустимых. Обобщенный прием можно называть допустимым, если хотя бы у 51 % критериев значения совпадают со значениями критериев сформированного решающего правила. Обобщенный прием является недопустимым, если у более чем 49 % критериев значения не совпадают со значениями решающего правила. Правило должно состоять из n наборов: критерий-значение-знак:

,

где S – знак: <, >, =,>=,<=.

Шаг 3. Определить множество приемов, которые улучшают заданную характеристику:

.

Шаг 4. Определяются значения каждого критерия для всех отобранных приемов Crj. Таким образом, каждый прием описывается вектором

.

Шаг 5. Решающее правило накладывается на каждый прием и формируется вектор-результат для каждого приема: , 1 – соответствие значению критерия, 0 – несоответствие значению критерия. Количество единиц в векторе-результате обозначим как β, количество нулей – , .

Шаг 6. На основании анализа векторов-результатов, множество приемов, определенных на шаге 3, разбиваются на два класса: Class1 – допустимые приемы, с такими приемами работа может быть продолжена, и Class2 – недопустимые приемы, такие приемы в дальнейшем не учитываются. Сформировать результат из допустимых приемов.

Шаг 7. Для каждого критерия инженер-конструктор устанавливает важность критерия (вес): .

Шаг 8. Рассчитывается значение комплексного критерия оценки обобщенного приема, и приемы сортируются в порядке убывания значения критерия.

Процедура выбора обобщенных приемов по требованиям патентоспособности (изобретательский уровень) проектируемого устройства

Как известно, автоматизированная система «Интеллект» позволяет синтезировать цепочки физико-технических эффектов и параметров, отражающие физический принцип действия технического устройства [5].

Такая цепочка ФТЭ может использоваться для определения патентоспособности (изобретательский уровень) принципа действия технического устройства.

Если в качестве входной информации использовался структурно-параметрический принцип действия технического устройства в виде цепочки ФТЭ, то в результате можно определить множество научно-технических документов. В результате анализа множества этих документов они могут быть разбиты на группы, каждый из которых позволяет сформулировать обобщенный прием улучшения эксплуатационных характеристик.

,

где FTE – физико-технический эффект; D – научно-технический документ; i, j, p – номер группы; M – обобщенный прием.

Процедура анализа цепочки ФТЭ, отобранных документов и приемов для решения о патентоспособности (изобретательский уровень) принципа действия устройства сводится к выполнению следующих шагов:

Шаг 1. Из полученной цепочки извлекаются номера ФТЭ:

.

Шаг 2. Отобрать множество научно-технических документов, которые содержат ФТЭ из цепочки:

.

Рис. 1. Бизнес-процесс выявления возможных приемов улучшения и формирование паспорта

Рис. 2. Бизнес-процесс определения патентоспособности ТУ (изобретательский уровень)

Шаг 3. Исключить документы, которые описывают уже известную техническую реализацию устройства.

Шаг 4. Документы распределяются по группам. Каждая такая группа отождествляется c ФТЭ из цепочки и представляет собой набор научно-технических документов, которые содержат этот эффект:

,

где i – номер группы.

Если документ содержит не один ФТЭ, то он одновременно попадает в несколько групп.

Шаг 5. Выполняется декартово произведение групп . В результате получаем множество кортежей (наборов документов: ) длины n, образованных так, что первый компонент (документ) принадлежит группе (т.е. содержит первый ФТЭ их цепочки), второй – и т.д.

Шаг 6. Из полученных кортежей документов выявляются обобщенные приемы:

.

Таким образом, для каждого кортежа документов получаем кортеж соответствующих приемов. Рассчитывается среднее значение комплексного критерия оценки приемов, входящих в один кортеж.

Шаг 7. Кортежи приемов сортируются в порядке убывания значения комплексного критерия оценки. Приемы, входящие в один кортеж, анализируются экспертами на возможность их сочетания с целью получения требуемого эффекта.

Заключение

Авторами разработана методика выбора обобщенных приемов по требованиям к улучшаемым эксплуатационным характеристикам, которая позволяет сократить время поиска и выбора приема по совокупности требуемых эксплуатационных характеристик. Кроме того, сформулирована процедура выбора обобщенных приемов по требованиям патентоспособности (изобретательский уровень) проектируемого устройства, основанная на анализе принципа действия технического устройства в виде структурно-параметрической схемы (цепочки физико-технических эффектов из системы «Интеллект»). Для оценки эффективности приема разработан комплексный критерий оценки обобщенного приема по универсальности; эффективности; количеству, степени улучшения и ухудшения эксплуатационных характеристик.