Đề tài ỨNG DỤNG CỦA 40 NGUYÊN LÝ SÁNG TẠO TRONG CÔNG NGHỆ PHẦN MỀM

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH KHOA HỌC TỰ NHIÊN TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN ––––––––––––––– BÀI THU HOẠCH ỨNG DỤNG CỦA 40 NGUYÊN LÝ SÁNG TẠO TRONG CÔNG NGHỆ PHẦN MỀM GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: GS. TS. HOÀNG VĂN KIẾM SINH VIÊN THỰC HIỆN: MAI HỮU THIỆN 12 11 072 TP.HỒ CHÍ MINH – 2012 1 MỤC LỤC I. GIỚI THIỆU ............................................................................................................................................ 3 II. 40 NGUYÊN LÝ SÁNG TẠO VÀ CÔNG NGHỆ PHẦN MỀM .................................................................... 4 1. Phân nhỏ (Segmentation) ................................................................................................................ 4 2. Tách khỏi (Extraction) ..................................................................................................................... 4 3. Phẩm chất cục bộ (Local Quality).................................................................................................... 5 4. Bất đối xứng (Asymmetry) .............................................................................................................. 6 5. Kết hợp (Consolidation)................................................................................................................... 7 6. Vạn năng (Universality) ................................................................................................................... 8 7. Chứa trong (Nesting) ....................................................................................................................... 8 8. Phản trọng lượng (Counterweight) .................................................................................................. 9 9. Gây ứng suất sơ bộ (Prior counteraction) ...................................................................................... 10 10. Thực hiện trước sơ bộ (Prior action) .............................................................................................. 10 11. Đề phòng (Cushion in advance) ..................................................................................................... 11 12. Đẳng thế (Equipotentiality) ............................................................................................................ 12 13. Đảo ngược (Do it in reverse) ......................................................................................................... 12 14. Cầu tròn hóa (Spheroidality) .......................................................................................................... 13 15. Linh động (Dynamicity) ................................................................................................................ 14 16. Tác động thiếu hoặc thừa (Partial or excessive action) .................................................................. 15 17. Chuyển sang chiều khác (Transition into new dimension) ............................................................ 16 18. Dao động cơ học (Mechanical Vibration) ...................................................................................... 16 19. Tác động theo chu kỳ (Periodic Action) ........................................................................................ 17 20. Liên tục tác động có ích (Continuity of useful action) .................................................................. 18 21. Vượt nhanh (Rushing through) ...................................................................................................... 19 22. Biến hại thành lợi (Convert harm into benefit) .............................................................................. 19 23. Phản hồi (Feedback) ...................................................................................................................... 20 24. Sử dụng trung gian (Mediator)....................................................................................................... 20 25. Tự phục vụ (Self-service) .............................................................................................................. 21 26. Sao chép (Copying)........................................................................................................................ 22 27. Rẻ thay cho đắt (Inexpensive short-lived objects) ......................................................................... 22 2 28. Thay thế hệ cơ học (Replacement of Mechanical System) ............................................................ 23 29. Sử dụng kết cấu thủy hoặc khí (Pneumatic or hydraulic construction) ** .................................... 23 30. Sử dụng vỏ dẻo hoặc màng mỏng (Flexile films or thin membranes) ........................................... 24 31. Sử dụng vật liệu nhiều lỗ (Porous materials) ** ............................................................................ 24 32. Đổi màu (Changing the color) ....................................................................................................... 25 33. Đồng nhất (Homogeneity) ............................................................................................................. 26 34. Loại bỏ và tái sinh từng phần (Rejecting and regenerating parts) ................................................. 26 35. Thay đổi thông số hóa lý của đối tượng (Transformation properties) ........................................... 26 36. Chuyển pha (Phase transition) ** .................................................................................................. 27 37. Sử dụng sự nở nhiệt (Thermal expansion) ** ................................................................................ 27 38. Sử dụng các chất oxy hóa (Accelerated oxidation) ** ................................................................... 28 39. Sử dụng môi trường trơ (Inert Environment) ** ............................................................................ 29 40. Sử dụng vật liệu tổng hợp (Composite materials) ......................................................................... 30 III. KẾT LUẬN ....................................................................................................................................... 31 IV. TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................................................... 32 3 I. GIỚI THIỆU 40 nguyên tắc sáng tạo cơ bản đã được Altshuller tìm ra bằng cách phân tích một lượng lớn các bằng sáng chế nhằm mục đích xây dựng các công cụ giải quyết những mâu thuẫn kỹ thuật, thường nảy sinh trong quá trình thực hiện sáng tạo và đổi mới. Đây có thể được xem như sự tổng hợp kiến thức của nhân loại. Vào năm 2001, Kevin C. Rea đã cho đăng bài viết của mình gồm 2 phần, mang tên “TRIZ and Software – 40 Principle Analogies, Part I and II” để trình bày những sự tương đồng trong lĩnh vực công nghệ phần mềm (CNPM) với 40 nguyên lý sáng tạo của Altshuller. Tuy nhiên, Rea đã không liệt kê ra sự tương đồng cũng như ví dụ cụ thể đối với một số nguyên lý. Cụ thể là các nguyên lý: 29 (sử dụng kết cấu thủy hoặc khí), 31 (sử dụng vật liệu nhiều lỗ), 36 (chuyển pha), 37 (sử dụng sự nở nhiệt), 38 (sử dụng các chất oxy hóa) và 39 (sử dụng môi trường trơ). Bài viết này cố gắng hoàn thiện danh sách của Rea thông qua việc đưa ra sự tương đồng trong công nghệ phần mềm đối với sáu nguyên lý này, đồng thời bổ sung các ví dụ cụ thể cho những nguyên lý khác. Do bố cục của Rea trong bài viết của ông khá là hữu ích, nên tôi sẽ sử dụng lại bố cục này, như vậy các ví dụ mới và sự tương đồng có thể được so sánh cũng như kết hợp lại dễ dàng hơn. Những nguyên lý bị bỏ sót trong bài viết của Rea sẽ được đánh dấu **. 4 II. 40 NGUYÊN LÝ SÁNG TẠO VÀ CÔNG NGHỆ PHẦN MỀM 1. Phân nhỏ (Segmentation) a. Chia một đối tượng thành nhiều phần độc lập. b. Làm cho một đối tượng dễ dàng tháo rời. c. Tăng mức độ chia nhỏ. Liên hệ CNPM: Phân chia một hệ thống, thiết kế, một đối tượng hoặc luồng dữ liệu thành các phần độc lập. Chẳng hạn như trong phương pháp thiết kế module hoặc hướng đối tượng. Tăng độ chi tiết cho đến khi tìm được giải pháp. Các bit có thể được xem như nguyên tử trong ngữ cảnh mã hóa. Ví dụ CNPM: Ví dụ thấy rõ nhất là hướng tiếp cận thiết kế ứng dụng từ trên xuống (top down). Khi thiết kế ta sẽ chia hệ thống thành từng khúc nhỏ, nhờ đó giúp chia hệ thống phức tạp ra thành các module nhỏ hơn và đỡ phức tạp hơn. Quá trình này có thể được lặp lại với mỗi module đến khi khối chức năng không còn phức tạp nữa. Người ta có thể xây dựng ứng dụng dựa trên các dịch vụ độc lập có sẵn trong tổ chức hoặc thông qua Internet như các Web-service. Ta cũng có thể xây dựng ứng dụng bằng các component thương mại có sẵn. 2. Tách khỏi (Extraction) a. Tách thành phần (đặc tính) gây cản trở khỏi đối tượng, hoặc chỉ lấy thành phần (đặc tính) cần thiết của đối tượng. Liên hệ CNPM: Cho một ngôn ngữ, định nghĩa biểu diễn văn phạm của nó cùng với trình thông dịch sẽ sử dụng cách biểu diễn này để rút ra các câu trong ngôn ngữ. Loại bỏ những phần vô giá trị trong luồng thông tin. 5 Ví dụ CNPM: Trong xử lý tín hiệu có nhiều cách để giảm nhiễu. Ví dụ ta có thể tính toán hoặc đo độ nhiễu trong phông nền của ảnh, khử nó khỏi ảnh để tăng độ tương phản của tín hiệu thực. Phương pháp nén âm thanh MP3 loại bỏ những phần tín hiệu âm thanh mà hầu hết mọi người không thể nghe được do các đặc điểm thính giác ở người. Phương pháp nén ảnh mất thông tin, chẳng hạn như JPEG, loại bỏ thông tin để có tỉ lệ nén tốt hơn mà không làm biến dạng ảnh quá mức. Bộ tạo token trong parser thay thế mọi từ khóa bằng mã gọn hơn để chuyển mã người đọc được thành mã xử lý được bởi máy. Bộ tạo token đơn giản nhất là các parser đối số dòng lệnh (command line argument) sẽ đổi một đối số dòng lệnh (một chuỗi) thành kiểu dữ liệu cơ sở hơn như integer hay boolean. 3. Phẩm chất cục bộ (Local Quality) a. Đổi cấu trúc của đối tượng từ đồng nhất sang không đồng nhất, đổi môi trường bên ngoài (hoặc tác động bên ngoài) từ đồng nhất sang không đồng nhất. b. Đặt mỗi thành phần của đối tượng dưới điều kiện hoạt động tối ưu. c. Cho mỗi thành phần của đối tượng thực hiện một chức năng hữu ích khác nhau. Liên hệ CNPM: Đổi phân loại của đối tượng trong hệ thống kỹ thuật từ hệ phân cấp đồng nhất thành không đồng nhất. Ví dụ CNPM: Trong ứng dụng trí thông minh nhân tạo sử dụng mô hình bảng đen (blackboard), nhiều người cùng cố gắng giải quyết vấn đề hoặc một phần của vấn đề theo nhiều cách, chẳng hạn như một số người sẽ theo hướng tiếp cận từ trên xuống (top down), số khác theo hướng từ dưới lên (bottom up). 6 Thay thế danh sách liên kết các đối tượng “Sư tử” bằng danh sách liên kết các đối tượng “Động vật”. Mức trừu tượng cao hơn cho phép các đối tượng không đồng nhất được lưu trong cùng một lớp container hoặc ngược lại. 4. Bất đối xứng (Asymmetry) a. Đổi hình dạng của đối tượng từ đối xứng sang bất đối xứng. b. Nếu một đối tượng đã bất đối xứng, tăng mức độ bất đối xứng của nó. Liên hệ CNPM: Đưa sự bất đối xứng vào trong ứng dụng. Thay đổi tính bất đối xứng của hệ thống kỹ thuật để tác động không đều lên kết quả tính toán mong muốn. Ví dụ CNPM: Cho chương trình có bộ lọc để xử lý các định dạng đầu vào khác nhau mà không phải tăng số lượng định dạng đầu ra hoặc là một định dạng đầu vào, nhiều định dạng đầu ra. Giả sử cần tính trung bình của một danh sách dài. Thông thường ta phải đếm tất cả giá trị và chia tổng cho kích thước danh sách. Nếu như đáp án không cần phải chính xác ta có thể làm như vậy với một tập nhỏ hơn được chọn ngẫu nhiên. Cách xấp xỉ này thường đủ tốt và nhanh hơn. Giải thuật quicksort kinh điển lấy phần tử chính giữa làm điểm chốt (pivot). Bằng cách sử dụng trung vị ba (median of three) ta thường đạt được hiệu suất tốt hơn. Thay thế tìm kiếm nhị phân kiểm tra phần tử chính giữa của mảng con thành tìm kiếm nhị phân có trọng số bằng cách sử dụng tri thức thống kê về độ phân bố của các phần tử. Ví dụ như tận dụng đặc điểm phân bố của các ký tự trong bảng chữ cái khi tìm kiếm trên một loại từ điển nào đó. 7 5. Kết hợp (Consolidation) a. Đặt các đối tượng tương đồng hoặc tương tự lại gần nhau (hoặc kết hợp chúng); lắp ghép các thành phần tương đồng hoặc tương tự để thực hiện các tác vụ song song. b. Cho các tác vụ nối tiếp hoặc song song với nhau; đặt chúng gần nhau về mặt thời gian. Liên hệ CNPM: Cho các quá trình chạy song song. Ví dụ CNPM: Các hệ điều hành đa nhiệm, các ứng dụng đa luồng, đa bộ xử lý. Seti@home là một dự án điện toán song song khổng lồ phân phối trên hàng triệu máy tính trên thế giới. Các máy tính này sẽ yêu cầu một phần dữ liệu để phân tích và gửi kết quả của mình về cho server. Dự án boinc.org là một sản phẩm phụ của Seti@home nhằm cung cấp framework cho dạng xử lý song song này. Một mạng chuyển gói (packet switching network) cho phép nhiều luồng dữ liệu chạy song hành trên một dây. Trên thực tế chúng không thực sự song song mà là xen kẽ nhau. Một dây cáp quang có thể thực sự truyền tin song song khi nhiều sóng tần số khác nhau được gửi qua sợi quang đồng thời. Một trang web có thể được xây dựng từ nhiều frame. Mỗi frame có thể đến từ một server khác nhau. Đẩy dữ liệu cho trang web loại này nhanh hơn khi nhiều kết nối có thể được sử dụng song song. In nhiều bản sao của một tài liệu có thể được thực hiện nhanh hơn khi in nó song song trên nhiều máy. Hệ thống đĩa cứng raid-5 chia tập tin ra nhiều đĩa có thể truy xuất và lưu tập tin nhanh hơn do nó được truy xuất/lưu trữ song song. 8 Một số ứng dụng chia sẻ tập tin peer-to-peer thấy rằng tập tin cần lấy có trên nhiều máy tính truy cập từ xa. Những khúc khác nhau của tập tin có thể được tải về từ nhiều máy tính khác nhau và ghép chúng lại tại chỗ. Kết quả là lưu lượng cao hơn. 6. Vạn năng (Universality) a. Cho một thành phần hoặc một đối tượng thực hiện nhiều chức năng; loại bỏ các thành phần khác. Liên hệ CNPM: Làm cho hệ thống kỹ thuật hỗ trợ nhiều phân loại và phân loại động dựa trên ngữ cảnh. Ví dụ CNPM: Trình Norton commander nhúng nhiều chức năng khác nhau trong một ứng dụng duy nhất. Một hàm tìm kiếm giá trị lớn nhất cũng có thể được dễ dàng mở rộng để tìm giá trị nhỏ nhất. Đặc biệt khi có nhiều I/O trong việc đọc dữ liệu từ tập tin. 7. Chứa trong (Nesting) a. Đặt một đối tượng vào trong đối tượng khác; đặt mỗi đối tượng lần lượt vào trong nhau. b. Cho một thành phần đi qua khoảng trống của thành phần khác. Liên hệ CNPM: Kế thừa tính năng của các đối tượng khác bằng cách lồng lớp tương ứng vào trong một lớp nền. Sử dụng nhiều mức trừu tượng. Sử dụng các cấu trúc dữ liệu và giải thuật đệ quy. Ví dụ CNPM: Các kiến trúc phần mềm phân tầng như mô hình OSI cho giao tiếp mạng. 9 Hướng tiếp cận phân tích và thiết kế từ trên xuống (top down): thiết kế các component ở cấp cao trước, sau đó mỗi component trở thành một dự án độc lập với interface đã được định nghĩa. Ma trận là một mảng các mảng. Ta có thể định nghĩa mảng nhiều chiều. Các cấu trúc dữ liệu đệ quy: cây, danh sách liên kết, kể cả cấu trúc thư mục quen thuộc với nhiều thư mục con. Các giải thuật đệ quy: quicksort, giải thuật duyệt cây, quay lui. 8. Phản trọng lượng (Counterweight) a. Để bù đắp trọng lượng của đối tượng, kết hợp nó với các đối tượng khác cung cấp lực nâng. b. Để bù đắp trọng lượng của đối tượng, cho nó tương tác với môi trường sử dụng khí động lực, thủy động lực và các lực khác. Liên hệ CNPM: Chia sẻ để hỗ trợ hiệu quả các đối tượng được phân hạt tốt với số lượng lớn nhằm giảm tải động trên hệ thống kỹ thuật. Sử dụng hàm băm để phân bố đều tải trọng. Ví dụ CNPM: Để cải thiện hiệu suất của web server ta có thể chia một trang ra nhiều frame và lưu các frame trên nhiều đĩa cứng hoặc thậm chí nhiều server. Ta có thể phân bố các ảnh hoặc các data-blob (lớn) ra nhiều đĩa thay vì đặt chúng vào một đĩa. Hiệu suất sẽ tăng lên. Với hàm băm ta có thể phân bố đối tượng ra nhiều bucket trong khi vẫn giữ số lượng đối tượng ở mỗi bucket gần như bằng nhau. 10 9. Gây ứng suất sơ bộ (Prior counteraction) a. Nếu cần thiết phải thực hiện một hành động với tác động có hại lẫn có ích, hành động này nên được thay thế bằng hành động ngược lại để kiểm soát tác động có hại. b. Tạo một áp lực ban đầu lên đối tượng để phản lại áp lực không mong muốn khi hoạt động. Liên hệ CNPM: Thực hiện xử lý sơ bộ trong hệ thống để cải thiện tính toán phía sau. Ví dụ CNPM: Giả sử người dùng phải chờ một hành động tốn thời gian nào đó. Nếu ta thông báo người dùng rằng hành động này tốn 10 giây nhưng lại lâu hơn thì sẽ gây khó chịu. Nếu ta nói rằng nó tốn 30 giây nhưng lại nhanh hơn thì người dùng sẽ thích hơn. Cứ thử tưởng tượng những chương trình install (hoặc uninstall) báo rằng bạn chỉ phải chờ 2 giây, nhưng 2 giây đó đôi khi có thể mất 2 phút hoặc hơn. Khi một ứng dụng khởi động cần đọc từ cơ sở dữ liệu ta có thể load những bảng hoặc chỉ mục quan trọng nhất trước. 10. Thực hiện trước sơ bộ (Prior action) a. Thực hiện trước thay đổi cần thiết trên đối tượng (toàn bộ hoặc một phần). b. Sắp xếp trước các đối tượng để chúng có thể đi vào hoạt động từ vị trí thuận tiện nhất và không mất thời gian chờ. Liên hệ CNPM: Như trên. Ví dụ CNPM: Bộ nhớ cache đọc trước trong ổ đĩa cứng. Trình duyệt web có thể lấy tất cả tham chiếu đến các trang web khác xuất hiện trên trang hiện tại trong khi người dùng đọc trang hiện tại. 11 Thử tưởng tượng một ứng dụng cơ sở dữ liệu chuẩn bị sẵn dữ liệu trước khi được truy vấn khi nó nhận ra khuôn mẫu trong quá trình sử dụng ứng dụng. Driver máy in kiểm tra có máy in hay không trước khi người dùng hoàn tất các thiết lập của mình. 11. Đề phòng (Cushion in advance) a. Chuẩn bị trước các phương án khẩn cấp để bù đắp cho độ thiếu tin cậy của đối tượng. Liên hệ CNPM: Sử dụng giải thuật xử lý các tác động có hại trong trường hợp tệ nhất và duy trì các bất biến toàn cục. Đừng giả định điều gì khi bạn không kiểm soát được hết mọi trường hợp. Ví dụ CNPM: Một hệ điều hành tạo backup cho các tập tin thiết yếu trước khi nó được sử dụng. Điều này giúp ngăn ngừa việc cài lại khi có gì đó bị trục trặc. Đặt timeout cho tác vụ có thể làm đứng hệ thống, chẳng hạn như một truy vấn đến cơ sở dữ liệu hoặc kết nối đến dịch vụ mạng. Việc sử dụng các transaction trong cơ sở dữ liệu có thể được roll-back cũng là một dạng đề phòng. Một bộ xử lý đầu vào giúp nhận biết và sàng lọc hoặc bỏ qua dữ liệu đầu vào có định dạng xấu. Một bộ lập lộ trình tính toán các lộ trình thay thế trong khi chạy xe. Dựa vào history nó biết rằng vài chỗ trên lộ trình thường bị kẹt xe. Theo cách này các lộ trình thay thế sẽ có ngay khi cần. Một trình xử lý văn bản tạo các bản chụp (snapshot) khi gõ tài liệu để ngăn mất mát dữ liệu trong trường hợp hệ điều hành gặp sự cố. Công việc này cũng bao gồm tạo bản sao tài liệu trước khi chỉnh sửa. Recycle bin trên hầu hết máy tính hiện nay. 12 12. Đẳng thế (Equipotentiality) a. Trong trường thế năng, hạn chế thay đổi vị trí; thay đổi điều kiện hoạt động để loại bỏ việc nâng lên hay hạ xuống trong điều kiện trọng lực. Liên hệ CNPM: Thay đổi điều kiện hoạt động của giải thuật để kiểm soát luồng dữ liệu vào và ra của quá trình. Một sự tương đồng với trường thế năng là thời gian tiêu tốn để tạo đối tượng trong bộ nhớ. Những đối tượng tiêu tốn nhiều thời gian cần phải được giữ lâu nhất có thể. Ví dụ CNPM: Giải thuật hoán đổi bộ nhớ thông minh tính toán khả năng cần dùng đến một đối tượng trong bộ nhớ chính. Nó sẽ hoán đổi các đối tượng có tỉ lệ sử dụng thấp nhất. Giữ lại những kết quả trung gian mất nhiều thời gian để tính chừng nào chúng còn hợp lệ. Nói chung nguyên lý này có thể được dùng kh