Морфологические методы исследования

Термином морфология и биологии и языкознании определяется учение о внутренней структуре исследуемых систем (организмов, языков).

Основная идея морфологических методов — систематически находить все «мыслимые» варианты решения проблемы или реализации системы путем комбинирова­ния выделенных элементов или их признаков. Идеи морфологи­ческого образа мышления восходят еще к Аристотелю и Платону, а также к известной средневековой модели механизации мышления Р. Луллия.В систематизированном виде морфологический подход был разработан и применен впервые швейцарским астрономом Ф. Цвиккии долгое время был известен как метод Цвики [91]. Датой рождения современного морфологического анализа можно считать 1942 год, когда появилась первая работа Цвикки по морфологическому анализу реактивных двигателей с описанием его метода морфологического ящика. «Цель морфологического исследования, – пишет Цвикки, – дать панораму общей структуры всех областей знания. Эти области могут быть знаниями о материальных альтернативах, отношениях концепциях или теориях». В дальнейшем идеи морфологического метода были развиты целым рядом исследователей, в частности, В.М. Одриным и С.С. Картавовым [52,53,54] и другими авторами [64]. В работах [2,3] были рассмотрены методы морфологического моделирования и введены и обоснованы четыре уровня процесса морфологического анализа систем.

Рассмотрим подробнее основы морфологического подхода к анализу систем. Любой творческий процесс включает в себя процесс постановки и решения задачи. Совокупность «задача и лицо, формулирующее и решающее задачу», со всеми взаимоотношениями между этими двумя компонентами образует динамическую систему, которую можно назвать «системой творчества». Разработчик находит решение, а при этом преобразуется его информационная среда (она пополняется новой информацией).

Методы творчества можно разделить на два класса:

методы постановки и решения задач

методы психоэвристического стимулирования разработчика.

Методы постановки и решения задач – это методы воздействия на задачу, методы переработки разработчиком той информации, которая необходима для получения искомого решения.

Методы психоэвристического стимулирования - это методы воздействия на разработчика, стимулирования его творческого потенциала для повышения его «коэффициента полезного действия» при обработке известной и полученной информации.

Задача поиска технического решения состоит из трех подсистем:

известное;

неизвестное;

процесс перехода от известного к неизвестному - процесс получения решения задачи.

Известное и неизвестное – определенным образом организованные массивы информации, информационные системы.

Массив «известное», содержит информацию об описанных технических решениях, так же о физических явлениях, эффектах, законах и закономерностях.

Массив «неизвестное» – результат творческой переработки разработчиком известной информации.

Процесс получения решения задачи – совокупность операций переработки информации, в том числе и построения гипотез, выдвижения идеи, догадок для получения искомого решения.

Процесс решения задачи может быть расчленен на две стадии:

первая – анализ информации, необходимый для получения искомого решения, и предоставления результатов анализа в форме, удобной для дальнейшей переработки;

вторая стадия – синтез искомого решения.

Организовать реализацию обеих стадий процесса решения задачи можно исходя из различных принципов переработки информации, опираясь на различные подходы к поиску решения, которые и определяют механизм процесса решения задачи.

Все множество методов постановки и решения задач, прежде всего технических, делят на 2 класса:

трансформационные и морфологические.

Если в основу метода положено построение целого по известной его части – метод является морфологическим.

Если в основе попытка решить задачу кратчайшим путем – трансформационный.

Морфологический подход базируется преимущественно на комбинаторном принципе поиска решений.

Суть морфологического подхода к решению задачи состоит в следующем. На стадии морфологического анализа надо получить не план решения задачи, а так называемое морфологическое множество решений – описание всех потенциально возможных (мыслимых) решений данной задачи.

Возникает вопрос, как же удается получить описание морфологического множества решений, когда при поиске, осуществляемом на интуитивном уровне, часто не удается получить даже одного решения, соответствующего условиям задачи.

Постулируется, что можно построить описание класса систем на базе известных описаний уже реализованной части этого класса, т.е. достроить целое по его части.

Морфологическое множество может быть представлено в виде морфологической таблицы или морфологического дерева.

Морфологическая таблица (МТ) – классификационная таблица, каждая строка которой представляет собой классификацию множества реализуемых систем по какому-либо существенному признаку.

Морфологическая таблица – результат многомерного классифицирования, предназначенный для разностороннего описания систем исследуемого их морфологического множества. Если на каждой строке такой таблицы взять по одному значению каждого из отобранных существенных признаков, исследуемых технических систем, то мы получим описание одной из возможных технических систем, принадлежащих построенному морфологическому множеству.

Основное назначение продукта морфологического анализа – морфологической таблицы, быть вспомогательным инструментом для последующего поиска решения задачи. Т.е. быть вместилищем, полем, всех возможных её решений, на котором осуществляется отбор наиболее перспективных, принципиально новых решений.

Если в каждой строке МТ записывать не только известные, но и все допустимые значения признаков, то будет осуществляться классифицирование, которое называется продуктивным. Тогда огромное число содержащихся в такой МТ вариантов описания ТС исследуемого класса – новые, порой принципиально новые технические решения (ТР). Многие из них не представляют практического интереса в соответствии с условиями задачи. Т.е. морфологические таблицы существенно избыточны. Это, прежде всего, достоинство морфологического классифицирования, но это и его недостаток. Избыточность морфологических таблиц позволяет извлекать большое число ценных ТР из таблицы. Но избыточность МТ и замедляет поиск ТР, соответствующего условиям конкретной задачи.

Методы морфологического синтеза, позволяющие решать сложную задачу в сжатые сроки, следует считать наиболее эффективными. Не изжито заблуждение, порожденное самим Ф. Цвикки, считавшим, что для нахождения в морфологической таблице исходного варианта решения надо осуществлять слепой перебор, содержащихся в ней вариантов. Морфологический синтез как раз является альтернативным полному перебору вариантов морфологической таблице.

Морфологический метод превратился в полноценный метод решения задач самой различной природы, после того, как была обоснована необходимость морфологического синтеза и созданы методы морфологического синтеза. Вообще полный, слепой перебор вариантов не является методом морфологического синтеза.

Метод морфологического синтеза – эвристический метод поиска соответствующего условиям задачи решения, который использует перебор вариантов, но только ограниченный, а не полный.

Эвристичность методов морфологического синтеза заключается в использовании приемов, позволяющий найти требуемый по условиям задачи вариант за гораздо меньшее число шагов (иногда на порядок), чем при полном переборе.

Методы морфологического синтеза решают задачу «преодоления проклятия размерности» морфологических множеств.

К классу морфологических методов относят большое число современных эвристических методов решения задач, поскольку все эти методы опираются на морфологический подход к процессу решения. В принципе в одном и том же методе решения задач можно использовать оба подхода – морфологический и трансформационный, но опираться сразу на оба подхода не возможно. В основу любого метода положен один и только один из подходов.

Морфологический подход значительно более надежен, но примерно в такой же степени и более трудоёмок, но это не является принципиальным, так как вычислительные процессы можно перепоручить ЭВМ. Поэтому современная автоматизация поиска решений целиком базируется на морфологическом подходе к решению задач, который по своей комбинаторной природе ориентирован на плодотворное объединение эвристических возможностей человека с информационными. С ростом возможностей ЭВМ неукоснительно будут расти возможности морфологического метода.

Основной проблемой в данное время считается разработка более эффективных методов морфологического синтеза.

Эвристические методы могут быть формализованы лишь частично и поэтому они в принципе не могут гарантировать однозначного, единственно оптимального решения задачи. Более того, они вообще не гарантируют получения искомого решения в ограниченные сроки.

Эвристические методы опираются на творческие способности разработчика. Эффективность эвристического поиска зависит от квалификации разработчика, и от его творческого потенциала.

Эвристические методы лишь нацеливают творческий ум на искомое решение. Они помогают ориентироваться в океане информации, отбирать нужную для искомого решения, оперативно и целенаправленно её оценивать, строить модели искомых систем, а затем работать с ними для получения возможных альтернатив решения и оценивать эти альтернативы с получением искомого решения задачи.

Итак, эвристические методы решения задач не подменяют творческий поиск, а организуют и направляют его, повышая целенаправленность, эффективность и оперативность. Они поэтому используются людьми, обладающими более высоким творческим потенциалом. Следует подчеркнуть, что эвристические методы решения задач также развивают творческие способности.

Цвикки предложил три метода морфологического исследова­ния.

Первый метод – метод систематического покрытия поля (МСПП), основанный на выделении так называемых опорных пунктов знания в любой исследуемой области и использовании для заполнения поля некоторых сформулированных принципов мышления.

Второй метод – метод отрицания и конструирования (МОК), базирующийся на идее Цвикки, заключающейся в том, что на пути конструктивного прогресса стоят догмы и комп­ромиссные ограничения, которые есть смысл отрицать, и, следо­вательно, сформулировав некоторые предложения, полезно заме­нить их затем на противоположные и использовать при проведе­нии анализа.

Третий метод – метод морфологического ящика (ММЯ), нашедший наиболее широкое распространение. Идея ММЯ со­стоит в определении всех «мыслимых» параметров, от которых может зависеть решение проблемы, и представлении их в виде матриц-строк, а затем в определении в этом морфологическом матрице-ящике всех возможных сочетаний параметров по одно­му из каждой строки. Полученные таким образом варианты могут затем подвергаться оценке и анализу с целью выбора наи­лучшего. Морфологический ящик может быть не только двумер­ным. Например, А. Холлиспользовал для исследования структу­ры систем трехмерный ящик.

Морфологические ящики Цвикки нашли широкое применение для анализа и разработки прогноза в технике. Для организацион­ных же систем, систем управления такой ящик, который, по-видимому, был бы многомерным, практически невозможно по­строить. Поэтому, используя идею морфологического подхода для моделирования организационных систем, разрабатывают языки моделирования или языки проектирования, которые при­меняют для порождения возможных ситуаций в системе, возмож­ных вариантов решения и часто — как вспомогательное средство формирования нижних уровней иерархической структуры, как при моделировании структуры целей, так и при моделировании ор­ганизационных структур.

Примерами таких языков служат: си­стемно-структурные языки (язык функций и видов структуры, номинально-структурный язык), язык ситуационного управления, языки структурно-лингвистического моделирования.

В инженерной практике обычно отсутствуют способы, позволяющие по условиям технического задания сразу же выбрать оптимальную структуру устройства. Поэтому процесс разработки носит итеративный характер. Обычно разработчик определяет, к какому классу устройств будет принадлежать проектируемое устройство, а затем пытается сузить этот класс, опробовать несколько технических решений, принадлежащих данному классу, и выбрать, то, которое является наиболее оптимальным.

Суть морфологических методов заключается примерно в том же: сначала мы определяем пространство поиска, которое обязательно должно включать в себя искомое решение (схему устройства), а затем сужаем это пространство, осуществляя поиск этого решения. Но в отличие от первого варианта, морфологический подход более формален и допускает компьютерную реализацию. Пространство поиска называется морфологическим множеством, а процесс определения это пространства – морфологическим анализом. Поиск решения называется морфологическим синтезом.

В результате морфологического анализа определяется морфологическое множество или множество альтернатив (альтернативных решений). Такое множество должно содержать все структурные решения устройств рассматриваемого класса, как реально существующие, так и потенциально возможные, патентоспособные структуры. Естественно, задать все такие структуры прямым перебором невозможно, так как мощность морфологического множества обычно оказывается очень большой. Поэтому для его задания проводят классификацию устройств, входящих в это множество, выделяя классификационные признаки и определяя их возможные значения. Особенностью такой классификации является то, что она является строгой в том смысле, что задав все значения классификационных признаков мы можем однозначно идентифицировать структуру устройства.

В процессе морфологического синтеза мы ищем структуру синтезируемого устройства, проводя поиск на морфологическом множестве. Морфологический синтез имеет комбинаторную природу. Но так как мощность морфологического множества оказывается очень большой, то осуществить его полный перебор не представляется возможным ни с помощью существующих вычислительных машин, ни с помощью машин, появление которых ожидается в обозримом будущем.

Все осложняется еще и тем, что отсутствуют универсальные алгоритмы, позволяющие найти глобальное оптимальное решение за полиномиальное время. Поэтому для решения таких задач широко применяются эвристические методы. Такие методы могут быть как общими: совершенствование прототипа, древовидное и лабиринтное конструирование, так и частными, специфичными для данного класса устройств, являющимися частью знаний предметной области. С недавнего времени в морфологическом синтезе все более частое применение находят так называемые генетические алгоритмы, имитирующие эволюционный процесс в природе. Если помимо структуры необходимо найти еще и параметры элементов, составляющих эту структуру, то, получим структурно-параметрический синтез. Так как любое устройство или система имеет структуру, а элементы, которые составляют эту структуру, имеют параметры – то методы структурно-параметрического синтеза могут быть применены практически во всех областях научно-технических знаний.

Дата добавления: 2015-07-20