Vorlesung: "Grundlagen ingenieurwisenschaftlichen Arbeitens (GIA)"

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1 3 Kreativität und Formalismus Wege zu Lösungsideen 3.1 Übersicht 3.2 Problemstrukturierung Black-Box-Ansatz 3.3 Diskursives Vorgehen Rein diskursive Methoden Morphologische Methode Provokativ-diskursive Methode 3.4 Intuition und Kreativität Grundprinzipien Verfahrensweisen 3.5 Verfahrenswahl Inhaltsverzeichnis Kapitel 3 Kap.3 1 / 84 inordnung im Problemlösungsprozess PROBLM KRN des Problems ABTRAHIRN notwendig Methoden zum Aufsuchen von Lösungsalternativen Lösungsalternativen F O R D R U N G N W Ü N C H B W R T U N G K R I T R I N notwendig Bewertungsmethoden z. B. Bewertungsmatrix notwendig Hilfsmittel zur Aufgabenpräzisierung notwendig Verfahren zur Auswahl von Bewertungskriterien Rangfolge der Lösungsalternativen KONKRTIIRN bestmögliche LÖUNG 3.1 Übersicht Kap.3 2 / 84 Dr. R. Viga / B

2 Vorbetrachtung Ziel bei der Lösungssuche technischer Probleme: Bestmögliche Lösung finden (gemessen an allen Kriterien: Funktion, Wirtschaftlichkeit ) Gefahren: Wahl der erstbesten Lösung (z. B. wegen beschränkter Zeit, mangelnder rfahrung, Vielgestaltigkeit und Komplexität des Problems,...) Blockade durch "geniale" Idee (uphorie vernebelt Blick auf "Haken" der Lösungsidee) "cheuklappenblick" auf das Problem (z. B. gewohnheitsmäßiges Handeln, hohe pezialisierung des/der Bearbeiter(s), nur Bearbeiter einer Disziplin, ) in Problem lösen heißt, sich vom Problem lösen 3.1 Übersicht Kap.3 3 / 84 Vorbetrachtung in Problem lösen heißt, sich vom Problem lösen Ansatz: Abstrakte Formulierung/Beschreibung des Problems Gliederung des Problems in Teilprobleme Im Abstrakten Lösungsstrukturen finden Abstraktionsgrade und Detaillierung auf rkenntnisstand und "Wichtigkeit" der Teilprobleme abstimmen Gezielte Anregung des "Kreativen Prozesses" Lösungsvielfalt herstellen Benötigt wird eine "Methodik der Ideenfindung" 3.1 Übersicht Kap.3 4 / 84 Dr. R. Viga / B

3 Abgrenzung des ystems zum Umfeld ystem - Umfeld ingang Innere ystem - ruktur Ausgang ystemgrenze Black-Box-Vorgehensweise Kap.3 5 / 84 rste abstrakte ystembeschreibung Black-Box Box Black-Box-Vorgehensweise Kap.3 7 / 84 Dr. R. Viga / B

4 Funktion und Wirkfluss HAUPTFUNKTION bewirkt die Überführung von ingangs- in Ausgangsgrößen innerhalb des das Produkt charakterisierenden Funktionsbereichs. NBNFUNKTIONN sind zur Gewährleistung der Hauptfunktion unter den gegebenen Restriktionen erforderlich. Bei technischen Produkten dominiert in der Regel ein Wirkfluss: fluss: Hauptfunktion verarbeitung Bsp.: Waschmaschine, Tintenstrahldrucker; Dialyse-Gerät nergiefluss: Hauptfunktion nergieverarbeitung Bsp.: Netzteil, Motor/Generator, Bestrahlungsgerät ignalfluss: Hauptfunktion ignalverarbeitung Bsp.: Funkgeräte, Computer, Telefonanlage Black-Box-Vorgehensweise Kap.3 8 / 84 Anmerkungen zu den Medien des Wirkflusses Die VDI-Richtlinie 2222 definiert: "Rohprodukt, Halbzeug, Bauteil, Flüssigkeit,, Luft etc." Anmerkung: "... zur Funktionserfüllung notwendig" oder: "... erfährt eine Veränderung" nergie "mechanische, thermische, elektrische, chemische, optische nergie etc." Anmerkung: o konkret wie möglich (sofern bekannt) angeben z. B. auch: Leistungen, Kräfte, Momente, Felder ignal "Messgröße, Daten, Anzeigewert, euerimpuls, Nachricht etc." Anmerkung: ignal = Information + Träger; oft schwierig zwischen ignal und nergie zu trennen Black-Box-Vorgehensweise Kap.3 9 / 84 Dr. R. Viga / B

5 benen des Medienflusses M N C H M N C H U M W L T U M W L T Y T M Y T M Black-Box-Vorgehensweise Kap.3 10 / 84 Bekannte rukturierungsverfahren (Auswahl) MATHMATICH MODLL Darstellung - des Gesamtsystems z. B. als n-pol (Mehrtor), - ingangs- u. Ausgangsgrößen als Vektoren bzw. Zeiger G 1 bis G 4 ). - des physikalischen Geschehens als komplexe Parameter (A ij ). inheitliche, ganzheitliche Betrachtung G 2 G 3 G 1 Übertragungssystem G 4 G 1 =A 11. G2 +A 12. G 3 G 4 =A 21. G 2 +A 22. G 3 Mathematische Beschreibung nur möglich, wenn das physikalische Geschehen (logische Funktion, Übertrager, Netzwerk) phänomenologisch betrachtet und als Gleichungssytem beschrieben werden können. Besonders geeignet für Baureihen-ntwicklungen und im der Mikrosystemtechnik bei extremer Miniaturisierung. Kap.3 11 / 84 Dr. R. Viga / B

6 Bekannte rukturierungsverfahren (Auswahl) CHALTPLAN Darstellung, z. B. in Hydraulik, Pneumatik, lektrotechnik, - von Bauelementen, Baugruppen durch definierte chaltsymbole (Normen) - von Verbindungen durch ungewichtete Graphen und Knoten Größen physikalisch orientiert. ehr konkrete Darstellung von i. a. Hardware-Funktion bzw. Bauteilen und Baugruppen in ihrem Zusammenwirken. Die ymbole sind für die einzelnen Fachbereiche in DIN-Normen festgelegt. - + x u Regler Kap.3 12 / 84 Bekannte rukturierungsverfahren (Auswahl) ZUTANDGRAPH Darstellung - der inneren Zustände durch Kreise - der Zustandsübergänge durch gerichtete Graphen (Pfeile) mit chaltbedingung (x i, x j ) Mathematische Formulierung durch Zustandsgleichungen und Matrizen x 1 x 2 1/1 x 1 x 2 x 1 x 2 x 1 x 2 0/0 x 1 x 2 Geeignet zur Darstellung von synchronen und asynchronen Prozeßabläufen und zur Definition von digitalen chaltwerken; rein zustandsorientiert; keine Anzeige über die zu konzipierenden Funktionen. Kap.3 13 / 84 Dr. R. Viga / B

7 Bekannte rukturierungsverfahren (Auswahl) FLUDIAGRAMM - Grafische Darstellung - von deterministischen Prozessen mit umstrukturiertem Charakter durch verschiedene genormten ymbolen, TART - von internen Verbindungen durch N J N Pfeile. Zur egmentialisierung von Programmteilen A B Detaillierte Beschreibung von Programmabläufen; besonders für kurze Programmteile geeignet; yntax stellt Abläufe, keine Funktionen oder Zustände dar; Darstellung von Unterprogrammen durch normierte ymbole. J C Kap.3 14 / 84 Bekannte rukturierungsverfahren (Auswahl) TRUKTOGRAMM Grafische Darstellung - in Form von Blöcken durch Kästchen und Dreiecken streng strukturiert. ymbole zur Fallunterscheidung Initialisierung Befehl Befehl Fallunterscheidung Nassi-chneiderman-Diagramm; egmentialisierung von Aktionen durch rukturblöcke ohne umstrukturierte prünge; stellt die prachelemente zur Verfügung; keine Formulierung von Funktionen oder Zuständen möglich; für oftware-routinen und Modulen. Kap.3 15 / 84 Dr. R. Viga / B

8 Bekannte rukturierungsverfahren (Auswahl) PTRI-NTZ Bipartiter Graph; Darstellung s 1 - der Zustände (ellen, Plätze) als Kreíse, t1 s 5 t3 s 8 - der Zustandsübergänge (Transitionen s 2 t) als Rechtecke oder Balken t2 s 6 - der Verbindungen als gerichtete s 3 Kanten (Pfeile) s 7 t4 s 9 Mathematisches Beschreiben durch Vektoren und Matrizen s 4 ingang Ausgang Geeignetes Mittel zur Analyse und imulation von Prozeßabläufen und -bei erweiterten Beschreibungshilfen- zur Produktstrukturbeschreibung; statische und dynamische Vorgänge beschreib- und simulierbar; verschiedene Netztypen mit verschiedenen igenschaften; zustandsorientiertes Modell; auf Rechnern implementierbar. Kap.3 16 / 84 Bekannte rukturierungsverfahren (Auswahl) ADT Grafische Darstellung - der Aktionen beim Aktivitätsmodell durch Kästchen, beim Datenmodell durch Pfeile), - der Daten beim Aktivitätsmodell durch Pfeile, beim Datenmodell durch Kästchen. Aktivitätsmodell dem Funktionsstrukturdenken verwandt. Control C 1 C 2 C 3 C Input I 1 4 Manipulation M 5 Output O 1 Anforderungssprache "ructared Analysis and Design Technique ADT" zur Analyse und grafischen Darstellung bestehender ysteme ebenso geeignet wie als ntwurfshilfsmittel; ADT-Darstellung zur schrittweisen Präzisierung in mehreren benen durch A-O-, AO-, AK- und Akn-Diagramme als Hierachiestufen. Kap.3 17 / 84 Dr. R. Viga / B

9 Bekannte rukturierungsverfahren (Auswahl) FUNKTIONTRUKTUR Darstellung, nach VDI 2222, T - der Operationen als Rechtecke - der Verbindungen als gerichtete Pfeile Grundoperationen sind i. a. in ihrer Anzahl beschränkt. e ingangs-/ausgangsgrößen sind e, nergien, ignale. 1 T1' T 2 ingang Geeignetes Mittel zur Darstellung komplexer Probleme im gewünschten Abstraktionsgrad; durch schrittweise-untergliederung der Teilfunktionen ergeben sich sukzessiv die zu konzipierenden Funktionen; hierarchisch gegliederte Abstraktionsebenen. Anwendung in Feinwerk- und Gerätetechnik, im Maschinen- und Anlagenbau. a T 2 ' Ausgang Kap.3 18 / 84 rukturierung auf Black-Box Box-bene ingang Gesamtfunktion Funktionsgrad n Ausgang n-1 n-2 n-3 n-4 Kap.3 19 / 84 Dr. R. Viga / B

10 Merkmale von rukturierungsverfahren rukturierungsverfahren liegt eine bestimmte ichtweise (Abstraktionsgrad) zu Grunde (z. B. mikroskopisch/makroskopisch, stofflich/imaginär, ) Basis ist eine graphische "ymbolsprache" aus Grundelementen (z. B. Kästchen, Kreise, Pfeile, Balken, ) Zahl der Grundelemente bzw. der "Wortschatz" ist endlich und stark eingeschränkt (z. B. "nur Kästchen, Pfeile und Kreise", ) Festes Regelwerk für die Verkettung der Grundelemente (z. B. "Kästchen und Kreise nur im Wechsel", "Keine Rückkopplungen", ) Durch Kombination/Verkettung von Grundelementen sind quasi beliebig große rukturen bildbar Ziel ist stets Abfolgen, Ursachen, Wirkung und gegenseitige Abhängigkeiten anschaulich und/oder beherrschbar zu machen Kap.3 20 / 84 lemente der Funktionsstruktur Allgemeine Größen Allgemeine Operationen Leiten peichern Wandeln Verknüpfen Trennen speichern wandeln u. u. nergie u. ignal nergie nergie nergie speichern nergie wandeln nergie u. - nergie u. nergie nergie u. ignal - - ignal ignal ignal speichern ignal wandeln ignal u. ignal u. nergie ignal u. ignal Kap.3 21 / 84 Dr. R. Viga / B

11 Regeln für die Nutzung der lemente Verknüpfung der Grundelemente erfolgt über Pfeile und nur entsprechend ihrer jeweils verfügbaren Pfeil-Anzahl (d. h. nur und trennen haben mehr als einen in- bzw. Ausgang) Innerhalb der ruktur gibt es keine unverknüpften in- und/oder Ausgänge von Grundelementen (d. h. keine "Inselelemente") Von jedem ingang der ruktur gibt es einen durchgängigen Pfad zu mindestens einem Ausgang (d. h. jede ingangsgröße hat influss auf die rukturfunktion) Jeder Ausgang ist von mindestens einem ingang über einen durchgängigen Pfad zu erreichen (d. h. jede Ausgangsgröße wird von der rukturfunktion gespeist) Geschlossene Pfade (Rückkopplungen) sind nicht zulässig Medienwechsel (, nergie, ignal) über Operationen (speziell: wandeln,, trennen) sollten nur im Rahmen physikalischer Möglichkeiten erfolgen (d. h. "ignal in wandeln" ist z. B. physikalisch bedenklich) Kap.3 22 / 84 Beispiel: chrittweise ntwicklung Blase Katheterverschluss mit Magnetbetätigung speichern Urin speichern trennen + n. trennen Urin ignal Druck n. + ignal nergie mechan. Notauf (Hand) nergie nergie kinetisch nergie speichern n. + ignal nergie mechan. nergie n. + ignal ignal 1 ignal 1 magnet. Feldstärke magnet. Feldstärke Kap.3 24 / 84 Dr. R. Viga / B

12 Beispiel: Unterschiedliche rukturvarianten ,2 + 1, , ,2 trennen Mischen von en , , , trennen trennen Kap.3 25 / 84 Beispiel: Wahl der Abstraktionsebenen Wasserleitungssystem, hier: Haushalt Öffentliches Netz Black - Box Brunnen bzw. Wasserwerk Wasser TOFF Wasser Verbraucher bzw. Abwassersystem Fallleitung eigleitung Behälter speichern andere Haushalte + nergie Wasserwerk (Pumpe) Wasserturm verzweigen Rohrleitungsnetz der adt A 1 A 2 Haushalt Abwassersystem Kap.3 26 / 84 Dr. R. Viga / B

13 Beispiel: Wahl der Abstraktionsebenen Wasserleitungssystem, hier: Haushalt Absperrhahn Black - Box Haushalt 1 B 2 A verzweigen A 2 Warmwasserbereiter B 1 nergie Kap.3 27 / 84 Beispiel: Wahl der Abstraktionsebenen Wasserleitungssystem, hier: Absperrhahn Black - Box 2 C Weg 2 C 2 m umsetzen (in Weg) mechan. nergie (Hand) m Kap.3 29 / 84 Dr. R. Viga / B

14 Beispiel: Wahl der Abstraktionsebenen Wasserleitungssystem, hier: Absperrhahn m m in Weg umsetzen 2 + Weg 2 2 Flaschenhahn DIN 3465 Kap.3 30 / 84 Vorgehensempfehlung Haupt- bzw. Gesamtfunktion (Black-Box): 1? 2 1` ingangsfunktionen: Logische rgänzungen: Zentrale Funktionen: Ausgangsfunktionen: 1 L V V L 1` L L V W W W 2 V V Kap.3 31 / 84 Dr. R. Viga / B