Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Аутсорсинг и качество продукции и услуг. Взгляд на проблему. Часть 1
.pdf
131
Глава четвертая
ОПТИМИЗАЦИЯ СИСТЕМНОЙ КОМПЛЕКТАЦИИ
СЛОЖНЫХ ИЗДЕЛИЙ
§ 1. КРИТЕРИИ ОПТИМАЛЬНОСТИ СК
Требования к методам оценки качества СК должны быть определены
исходя из роли этой оценки на всех этапах жизненного цикла конечного
изделия (КИ). Напомним, что МС ИСО 9001 предусматривает постоянный
анализ соответствия изделия контракту и оценку эффективности действия
системы качества по достижению этого соответствия. Но МС ИСО 9000
имеет также «опережающую» концепцию в управлении качеством, согласно которой система качества должна функционировать таким образом,
чтобы «проблемы предупреждались, а не выявлялись после возникновения» (МС ИСО 9004).
Критерии оптимальности СК целесообразно выбирать исходя из изложенной концепции, т.е. исходя из того, что выбор СК определяющим
образом влияет на качество конечной продукции и является первичным
фактором, предупреждающим на стадии проектирования возникновение
проблем на всех последующих стадиях жизненного цикла изделия. Поэтому обратимся прежде всего к этапу разработки, на котором «закладывается» качество будущего изделия.
Отличительной чертой современных технических изделий является
сложность, отвечающая многофункциональному назначению аппаратуры.
Задача проектирования таких изделий может ставиться по-разному.
Рассмотрим следующую постановку такой задачи. Будем рассматривать КИ как сложную систему. Задача проектирования этой системы состоит в том, чтобы, разбив систему на уровни (в каждом из которых имеется ряд подсистем) и имея для каждого уровня свои критерии оптимальности, произвести оптимизацию управления на каждом уровне. Под управлением на каждом уровне мы будем понимать выбор наиболее рационального конструкторского решения. На некотором (достаточно низком) уровне
таким решением будет выбор СК.
Тогда критерием оптимальности выбора СК становится обобщенный
(комплексный, интегральный) показатель качества КИ. В последнее время
была проведена большая дискуссия по вопросу методологии количественной оценки качества и методологических принципах его измерения (квалиметрии). Основные результаты этой дискуссии можно выразить в наличии двух точек зрения, одна из которых состоит в принципиальной невозможности или практической нецелесообразности введения единого ком-
132
плексного (обобщенного) показателя качества, а другая – в возможности и
целесообразности.
В решаемой нами задаче выбора СК используются следующие поло-
жения, относящиеся к выбору показателя качества.
1. Если применять единый (комплексный, обобщенный) показатель
качества, то процедура выбора СК становится очень простой. Она сводится
к принятию простых решений на основе однопараметрической оптимизации, в частности, путем выбора, например, СК с наибольшим значением
комплексного показателя качества. Однако в этом случае чрезвычайно усложняется определение самого показателя качества.
В работах основоположника квалиметрии проф. А.В. Гличева и его
школы (проф. Г.Г. Азгальдов и др.) предлагаются различные методы построения обобщенных (комплексных) показателей качества путем образования специальных многопараметрических функций. Как правило, эти
функции образуются путем взвешенного суммирования одиночных показателей качества или их логарифмов. Однако в настоящее время отсутствует анализ общих свойств таких функций и тех ограничений, которые присущи применениям этих функций. Поэтому возникла необходимость определить применимость методов оценки качества СК по совокупности отдельных показателей.
Вместе с тем нам представляется, что имеется еще одна, принципи-
ально новая (отличная), постановка задачи определения единого комплексного показателя качества, основанная на анализе процессов, определяющих потребительские свойства продукции, выпускаемой по определенной (достаточно полно отражающей условия применения) технической
документации. Эта возможность связана с понятием дефектности продукции (ее анализ приведен далее).
Таким образом, выбор СК по единому (комплексному, обобщенному)
показателю качества сводится к принятию решения по простой однопараметрической оптимизации. Методы такой оптимизации, ее алгоритмы и
программы достаточно полно освещены в литературе.
2. Поскольку до настоящего времени отсутствуют единые показатели
качества СК, то во всех практически важных случаях выбора элементной
основы разработчик пользуется рядом показателей. При этом в основе выбора, как правило, лежит интуитивное решение конфликтных задач типа
«выбрать ли изделия с более высокой надежностью при большом весе или
с меньшим весом при более низкой надежности?» (естественно, с учетом
количественных характеристик этих показателей).
Поэтому крайне необходима определенная процедура, позволяющая
хотя бы исключить ошибки выбора за счет недостаточной интуиции (т.е.
исключить субъективные ошибки разработчика).
133
В последнее время разрабатывается весьма интересное направление в
решении этой задачи, которое принято называть методологией оценки эффективности технических решений, направленных на достижение заданных
показателей качества (безопасности, долговечности, сохраняемости и т.п.).
Инициатором этого нового направления был проф. И.И. Морозов. Сущность
его состоит в анализе тех мероприятий, которые проведены разработчиком
по достижению заданных показателей качества. Поэтому первичным актом
по-прежнему остается творческий поиск разработчиком соответствующих
решений, но по результатам оценки эффективности этот поиск решений
может продолжаться, а в некоторых случаях и направляться.
Если представить себе это направление постоянно действующим в
полном объеме, то получится, что проверяется эффективность каждого
найденного разработчиком решения и при недостаточной его эффективности продолжается поиск более эффективного решения. Таким образом, работы школы проф. И.И. Морозова позволяют перейти от поиска полностью
интуитивного к поиску с анализом найденных решений, т.е. упорядочиванию поиска путем отбрасывания решений с малой эффективностью. Это
очень большой шаг вперед в отношении повышения эффективности решения широкого круга практических задач разработки сложных изделий.
Однако, поскольку в основе этого направления лежит анализ уже найденных разработчиком решений, сам поиск решений по-прежнему остается
интуитивным, т.е. творческим процессом.
Поэтому возникает задача алгоритмизации этого процесса, т.е. нахождения процедуры синтеза при поиске решений. Известны эвристические
методы программирования применительно к решению подобных задач.
Однако этим способам присущ тот общий недостаток, что они требуют
очень больших объемов памяти ЭВМ или очень больших затрат машинного времени. Поэтому до настоящего времени практическое использование
подобных методов весьма ограничено.
Авторами предлагается другая методология решения задач синтеза
при поиске решений, основанная на сочетании положений теорий сложных
систем, многопараметрической оптимизации, конечных автоматов и игр.
Таким образом, возникает возможность, рассматривая СК как звено иерархической структуры, в которой конечное звено – совокупность изделий
отрасли (однородной группы продукции, системы, комплекса), а начальное
звено – исходные материалы, получить систему показателей качества.
Используя эту систему показателей качества, можно вести целенаправленный поиск (синтез) элементов СК, в том числе формулировать требования, оценивать эффективность решений по их достижению и алгоритмически решать другие задачи, с которыми непрерывно сталкиваются не
только заказчики и разработчики КИ, но и органы отраслевого управления
134
новыми разработками, отраслевого и других уровней материальнотехнического снабжения.
Из изложенного вытекают два концептуальных требования к методо-
логии оценки качества СК:
1. Возможность учета роли элементов СК в общей иерархии КИ от-
расли, т.е. учет значимости («полезности») данного элемента СК для решения отраслевых задач. Здесь имеется в виду, что чем выше значимость
данного элемента СК в решении отраслевых задач, тем больший «вес»
должны приобретать те одиночные показатели качества, которые важны
для большей части номенклатуры КИ отрасли.
2. Возможность учета широты применения элементов СК, главным
образом по условиям сохранения работоспособности. Здесь имеется в виду, что предпочтение (более высокая оценка качества) должно даваться
тому элементу СК, который сохраняет значение одиночных показателей
качества в более широком диапазоне условий применения или внешних
воздействий.
§ 2. МЕТОДЫ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА
СИСТЕМНОЙ КОМПЛЕКТАЦИИ
Предлагаемые методы оценки качества СК основываются на анализе
процессов, определяющих потребительские свойства продукции.
Потребительские свойства продукции определяются степенью ее соответствия требованиям потребителей, а все отклонения от этих требований будем рассматривать как дефектность продукции. Такая постановка
отвечает положениям МС ИСО 9000.
Тогда методология оценки качества должна представлять собой в некотором смысле адаптивную систему, причем оценка качества – это оценка
степени дефектности продукции в широком смысле.
В рассматриваемой адаптивной системе происходит непрерывная
подстройка под требования потребителя, поэтому на свойства СК оказыва-
ется управляющее воздействие Ui.
На нижнем уровне иерархии находятся сырье и материалы, выбором и
свойствами которых обуславливаются для этой задачи управляющие воз-
действия Ui.
Под действием этих управляющих воздействий Ui (т.е. того, чем разработчик управляет на стадии разработки и поведение чего нами считается
изученным), возмущающих воздействий Di (обусловленных, в частности,
внешними воздействиями) и собственного состояния xi каждого элемента
135
СК (в том числе учитывающих процессы в материалах, происходящих при
n,1
i
j
j
i
i
ff
N,j 1
N
iii
fff
21
использовании элемента), соответствующие элементы будут давать в верх-
ний (узловой) уровень выходные переменные yi. Поведение элементов СК
таким образом может быть записано в обычном виде [27]:
yi = S
(xi, Ui, Di), i =
i
. (4.1)
Допустим, что рассматриваемая нами подсистема сложной иерархиче-
ской структуры имеет некоторое множество
критериев оптимальности
, (4.2)
зависящих от выходной переменной yi. Индекс j указывает на различные
функции цели в этой системе. Например, может быть необходимым дости-
жение надежности, экономичности и т.п. Могут быть также введены крите-
рии, связанные с поддержанием переменной на определенном уровне.
Введем систему следующих постулатов:
Постулат № 1 «Критерии оптимальности несравнимы между собой»
Этот постулат означает, что по всем критериям оптимальности может
быть задано предпочтение по важности. Например, для основной продук-
ции отрасли предпочтение критериев оптимальности по степени важности
может быть дано на основе принципа равной прочности (одинакового ре-
сурса) всех составных частей КИ при всех условиях применения.
Предпочтение по важности обозначим знаком
. Тогда следствие
постулата № 1, состоящее в наличии предпочтения по важности критериев
оптимальности, может быть представлено в следующей записи:
. (4.3)
Постулат № 2 «Между элементами CK нет прямой взаимной силы»
Этот постулат означает, что введение i-го управляющего воздействия
Ui сказывается только на i-м элементе. Иначе говоря, конструктор элемен-
тов КИ при выборе материалов для них может осуществлять подбор мате-
риала для каждого элемента (из имеющегося выбора) независимо от того,
что он выбрал для другого элемента.
В действительности, конечно, всегда имеется некоторая взаимосвязь,
обусловленная, например, соображениями сокращения номенклатуры используемых материалов и унификацией технологических процессов. Однако принципиально конструктор новой элементной основы волен выбирать любые из числа имеющихся материалов.
Постулат № 3 «Управление осуществляется дискретно (в импульсном режиме) так, что период управляющего воздействия значительно
больше периода наиболее медленного возмущающего воздействия»
136
Принятие этого постулата означает, что мы можем рассматривать ка-
)(
*
i
*
fF
*
i
f
)(
*
i
*
j
fF
)1)(1(
)]()([
1 1
nN
fFfF
Q
N
jni
*
i
*
jij
*
i
f
чество элементной базы в статике, а не в динамике управления. Поэтому
можно осуществлять оптимизацию также в статике. Обозначим период
управляющего воздействия (т.е. период изменения выбранных материалов,
конструкции или технологии изготовления элементов) Тui, а максимальный период возмущающего воздействия (т.е. наиболее медленное измене-
ние характеристик воздействующих факторов) через TD
лат № 3 можно выразить записью: Тui >> TD
imax
.
. Тогда посту-
imax
Нашей задачей будет нахождение алгоритма принятия решений об
управляющих воздействиях при перечисленных условиях, причем этот алгоритм должен обеспечивать получение оптимальности принимаемого ре-
шения по всем критериям f
с учетом их важности.
i
Допустим, что нами приняты и выполнены все решения по управля-
ющим воздействиям, направленным на оптимизацию в указанном смысле
всех критериев fi. Тогда мы получим некоторую оптимальную модель на-
шей СК. Эта оптимальная модель может быть принята за истинное значение некоторой многопараметровой функции F(fi). Реальная СК будет да-
вать приближенное значение функции
критериев
не будут соответствовать оптимальным fi. В ряде работ (см.,
в виду того, что значения
например, [28]) показано, что для подавляющего большинства случаев
наилучшую оценку степени приближения дает среднеквадратичное отклонение.
Поэтому нами предлагается за критерий оценки качества Q элементов
сложных систем принимать среднеквадратичное отклонение функции
от функции оптимальной модели Fj(fi), равное
. (4.4)
Поскольку при разработке элементов СК мы всегда предлагаем опре-
деление (экспериментальное – апостериорное или расчетное – априорное)
показателей
, то задача оценки качества по совокупности показателей
сводится к определению оптимальных значений fi.
Функция fi является локальной функцией цели для подсистемы отрас-
левого управления нижнего уровня иерархии (уровня сырья и материалов).
Очевидно, что ее формирование должно происходить «сверху–вниз»
137
от глобальной функции цели верхнего уровня (например, унифицирован-
*
j
F
j
FF
N,j 1
n
i
jij
i
j
fcF
1
t
n
sktks
UUUU ,,,
21
1
U
2
U
1
U
k
n
kk
U,,UU
1
),1( lk
U
b
n
UUU ,,1
ных узлов)
пим «наоборот», т.е. предположим, что fi нам известна и будем строить Fj.
. Чтобы найти этот алгоритм формирования fi пo Fj, посту-
Прежде всего рассмотрим наиболее простой случай, когда глобальная
функция цели верхнего (узлового) уровня Fj определяется суммированием
локальных функций цели fi для подсистем нижнего (элементного) уровня с
различными весовыми коэффициентами ci. В этом случае верхний уровень
будет обладать множеством критериев оптимальности
, (
)
вида:
. (4.5)
В соответствии с принятым постулатом № 1 по всем N функционалам
оптимальности может быть задано их предпочтение по важности:
F1 F2 … FN.
Теперь примем во внимание, что в иерархической структуре всегда
заданы характеристики самого верхнего уровня (т.е. в нашем случае, например, общий замысел программы вооружения). Этими характеристиками наиболее высокого уровня в свою очередь определяются характеристики следующего, более низкого уровня. Таким образом, в иерархической
структуре всегда осуществляется управление сверху вниз.
В соответствии с методологией примем, что верхний уровень может
осуществлять управление нижним уровнем одним вектором управляющих
воздействий
U = { U1,
}
n
или вектором управляющих воздействий
,
выбранным из некоторого множества векторов управляющих воздействий
V = {
,
, …,
},
где
На управляющие воздействия наложены некоторые ограничения:
где
,
.
,
– векторы-столбцы; (4.6)
138
n
bbb ,,1
,
lkbU
kk
,1,
k
n
k
k
UUU ,,1
k
n
k
k
bbb ,,1
VUk
y
a
n
yyy ,,1
n
aaa ,,1
),,(
iiiii
DbxSa
kk
ay
l,k 1
k
y
k
a
),,(
i
k
iii
k
i
DbxSa
1
U
n
U
N,1
n,1
1
y
n
y
n,1
1
y
n
y
1
U
n
U
или в другой записи:
, (4.7)
где
– вектор-столбец для k-го типа управляющего воз-
действия;
– вектор-столбец.
Ограничение (4.7) свидетельствует о том, что по каждому типу управ-
ляющих воздействий
заданы свои ограничения.
Если мы теперь поставим в (4.6) вместо Ui «верхнее значение», то по-
лучим ограничения, накладываемые на выходные переменные нижнего
уровня (элементов – для этой задачи, или материалов – для элементов):
, (4.8)
где
– векторы-столбцы;
, причем
,
;
, (4.9)
где
причем
,
– векторы-столбцы для k-го типа управляющих воздействий,
.
Теперь необходимо определить величины управляющих воздействий
{
, …,
F = {Fj}, j =
функции Fj зависят от выходных переменных yi, i =
}, которые максимизируют (минимизируют) все множество
критериев оптимальности верхнего уровня. Поскольку
, a ограничения, на-
кладываемые на управляющие воздействия (4.6) и (4.7) пересчитаны для yi
и определяются выражением (4.8), то вначале можно найти оптимальное
значение выходных переменных подсистем {
, …,
}, которые являют-
ся наилучшими для всего множества критериев F = {Fj}, а затем, решив
уравнение (4.1) относительно Ui
и подставив (
, …,
Ui = T
) в (4.10), найти управляющие воздействия {
(xi, yi, Di), i =
i
(4.10)
, …,
уровня.
}, которые наиболее приемлемы для множества критериев F верхнего
139
Таким образом, задача нахождения управляющего воздействия
},,,{
21
,,, t
n
sktsk
UUUU
}{kU
l,1
},,{
11
ii
i
UUU
k
i
y
l,1
1
i
f
1
i
f
1
i
f
1
i
y
1
i
y
1
i
f
k
i
y
j
i
f
k
i
y
)(kj
a
)1()1( NN
aaA
из некоторого множества векторов управляю-
щих воздействий V =
, k =
при условии, что критерий оптимально-
сти задан в виде выражения, состоит в нахождении управляющего воздействия для каждой подсистемы в отдельности.
Для i-й подсистемы множество управляющих воздействий
.
Так как в этом случае наложены различные ограничения (4.9), то каждому типу ограничений будут соответствовать различные величины выход-
ной переменной
Решив для критерия
, k =
, где k указывает тип управляющего воздействия.
по каждому типу ограничений задачу нахож-
дения решения, которое дает минимум (максимум) главному критерию оптимальности
– минимизировать (максимизировать)
при ограничени-
ях (4.8), мы найдем множество величин выходных переменных для всей
подсистемы
Yi = {
, …,
}, (4.11)
которые оптимизируют критерий
.
Теперь из множества выходных переменных необходимо выбрать такое
терию оптимальности и обозначим через
, которое удовлетворяет всем N критериям. Значение функции цели
от
будем называть признаком k-й выходной переменной по j-у кри-
. Множество признаков по
всем типам критериев оптимальности и значениям выходных переменных
будет образовывать некоторую матрицу a
………a
1(1)
1(l)
:
. (4.12)
Зная все признаки, необходимо их сравнить между собой и выбрать
такой, который является наилучшим. Тем самым мы определим значения
выходной переменной ее подсистемы, наилучшей по совокупности критериев. Подставив ее значение в соотношение (4.10), мы определим и величину управляющего воздействия.
Для решения задачи выбора наилучшего признака могут использоваться:
равно ln, поэтому нужно выбирать из этого числа наилучшее значение) решение может осуществляться методами теории игр [28];
при сравнительно небольшой размерности задачи (число признаков
140
при большой размерности задачи может быть использован метод по-
следовательных уступок [27];
в отдельных случаях могут быть использованы специальные алгорит-
мы перебора (например, алгоритм Джонсона и его модификации [28]).
В тех случаях, когда глобальная функция цели не выражается путем
взвешенного суммирования локальных функций цели, описанные выше
процедуры решения могут быть также использованы, но предварительно
требуется преобразование пространства признаков так, чтобы оно соответствовало таким новым локальным функциям цели, при которых глобальная
функция по-прежнему будет описываться взвешенной суммой локальных
функций цели.
Сокращение пространства признаков (показателей качества) может
осуществляться путем не только объединения параметров (т.е. перехода от
функций m параметров xi к функции m – 1 = f (x0 = αx1 + βx2, xi) при i 3), но
и путем включения взаимокоррелированных параметров (т.е. формированием и распознаванием образов по [29, 30]).
Рассмотрим методы оценки качества СК по степени дефектности с
учетом широты применения элементов по текущим ситуациям.
Дефектность изделия может вызываться различными причинами. Для
упрощения дальнейшей разработки предположим, что дефектность вызывается только текущими ситуациями в использовании изделий.
Под текущими ситуациями понимаются:
внешние воздействия (с учетом их степени значимости, определяемой
схемотехническими решениями и другими защитными мероприятиями,
направленными на ослабление опасного влияния этих воздействий);
внутренние процессы.
Оценка дефектности при известных внешних воздействиях может
быть получена с помощью соответствующего моделирования процессов
дефектообразования (теорий прочности, надежности, реологии и т.п.).
В большинстве случаев разработчики изделия имеют программы мо-
делирования реакции на внешние воздействия, как правило, они входят в
программное обеспечение соответствующих САПР. Поэтому для оценки
качества СК по степени дефектности им необходимо дать описание (модель) возможных тестирующих ситуаций с учетом различных условий
применения.
Модель внешних воздействий определяется возможностью воздей-
ствия совокупности механических, климатических и других факторов.
Для основной продукции отрасли внешние воздействия учитывают:
«невозмущенную» внешнюю среду (климатические, механические и
другие воздействия);
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]