pizhurin_a_a_pizhurin_a_a_modelirovanie_i_optimizaciya_proce

7.3. Функционально-стоимостной анализ

7.3.1.Общие сведения

Функционально-стоимостной анализ (ФСА) - это метод системно­ го исследования различных объектов - изделий, технических устройств; направленный на оптимизацию соотношения между потребительскими свойствами объекта и затратами на его разработку, производство и экс­ плуатацию. Можно сформулировать цель ФСА как максимизацию отно­ шения R/S шах, где R - степень полезности изделия; S - затраты, соот­ ветствующие данному уровню полезности. На стадиях научно-исследова­ тельских и опытно-конструкторских работ этот метод используется для предотвращения возможности возникновения неэффективных решений, а на стадиях производства и эксплуатации изделий - для их совершенство­ вания с целью сокращения экономически неоправданных затрат.

В основе ФСА лежит следующая концепция. Любое изделие вы­ полняет некоторый комплекс функций: основных и вспомогательных, по­ лезных, бесполезных и вредных. Рассмотрим, например, полку для книг. Ее основная функция - хранить книги, защищая их от воздействий внеш­ ней среды. Кроме того, она выполняет ряд вспомогательных функций: об­ легчает доступ к нужной книге, демонстрирует наличие определенной ли­ тературы у владельца, ее верхняя стенка служит местом для размещения сувениров и других предметов; полка выполняет эстетические функции, организует пространство комнаты. Наряду с этими полезными функциями та же книжная полка выполняет и ряд вредных функций: загромождает пространство, ослабляет стену при подвеске, является потенциальной опасностью при возможном падении.

Выполнению полезных функций подчинена конструкция изделия: каждый ее элемент выполняет ту или иную функцию, подчиненную ос­ новной или вспомогательной функции всего объекта. Например, стеклян­ ные створки обеспечивают защиту от пыли и дают возможность ознако­ миться с названиями книг; боковые стенки являются несущими элемента­ ми конструкции, т. е. обеспечивают ее прочность, а их наружные полиро­ ванные поверхности способствуют выполнению эстетических функций.

Функции, выполняемые отдельными узлами и элементами изделия, неравнозначны с точки зрения основного предназначения объекта: некото­ рые из них будут важнее других. По определенной методике каждую функцию можно охарактеризовать некоторым числом, являющимся оцен­ кой ее относительной важности. Поскольку в конкретном изделии выпол­ нение той или иной функции закреплено за определенным элементом или сборочной единицей изделия, можно оценить затраты на выполнение каж­ дой функции, учитывая прежде всего материалы, стоимость изготовления и эксплуатации соответствующих элементов и узлов.

Следовательно, любую функцию объекта, а также входящего в него узла или элемента можно оценить с двух позиций: с точки зрения ее отно­ сительной важности и с точки зрения доли приходящихся на нее затрат. Сопоставление этих двух показателей для каждой из функций объекта по­ зволяет выявить возможные несоответствия, при которых выполнение вто­ ростепенных функций оказывается сопряженным с чрезмерными затрата­ ми. После обнаружения подобных несоответствий приступают к творче­ скому этапу поиска новых, лучших вариантов осуществления функций.

На рис. 7.6 представлен пример так называемой функционально­ стоимостной диаграммы, которая даст наглядное представление о соотно­ шении между важностью каждой из функций и затратами на ее выполне­ ние. Каждой из функций F b соответствует на оси абсцисс отрезок одинаковой величины. Вверх по оси ординат против каждого отрезка откла­ дывается величина, пропорциональная относительной важности данной функции Fj. Вниз по этой оси откладывают относительную величину затрат Si на каждую функцию в долях от общих затрат. Как видно из рис. 7.6, наи­ менее благополучным в данном случае оказалось соотношение между важ­ ностью и затратами для функции F3, следовательно, реализация именно этой функции в данном изделии далека от совершенства, и на ее воплоще­ ние надо обратить особое внимание на этапе поиска лучших вариантов.

R;

0,3-

0,2-

0,1-

0

0,1

0,2

0,3 Ч

Рис. 7.6. Функционально-стоимостная диаграмма

Таким образом, функционально-стоимостной анализ представляет собой совокупность трех основных процедур: 1) описания функций объек­ та, оценки их взаимосвязи, значимости и важности; 2) стоимостной оценки функций и анализа функциональной организованности изделия; 3) поиска более совершенных вариантов осуществления функций, по которым на предыдущих этапах ФСА выявлено неудовлетворительное решение, или формирование вариантов при проектировании нового изделия. Рассмотрим каждую из перечисленных процедур несколько более подробно.

Далее переходят к описанию функций объекта. Выделяют прежде всего внешние и внутренние функции. Внешние функции выполняются объектом в целом и характеризуют его взаимосвязь с окружающей средой. Внутренние функции относятся к отдельным узлам или элементам объек­ та. Среди внешних функций различают главные, ради которых создавался объект, и второстепенные, отражающие побочные цели его создания (рис. 7.8). Так, главная функция оконного блока - пропускать естественный свет; второстепенные - изолировать помещение от воздействий внешней среды, регулировать приток свежего воздуха, давать возможность наблю­ дения за окружающим пространством.

Внутренние функции узлов и элементов изделия подразделяют на основные и вспомогательные. Основные функции создают необходимые условия для осуществления главной функции и обеспечивают работоспо­ собность объекта; вспомогательные функции способствуют реализации основных. Так, функция стекол оконного блока - пропускать свет - явля­ ется основной, а функция створок, заключающаяся в их креплении и фик­ сации, - вспомогательной.

По степени полезности для потребителя функции объекта, а также отдельных его узлов и элементов можно классифицировать на полезные, бесполезные и вредные. Полезные функции способствуют достижению це­ ли существования объекта, бесполезные являются излишними с точки зре­ ния его потребительских свойств, но и не ухудшают их; вредные функции отрицательно влияют на работоспособность и функциональные качества объекта.

Описание функций изделия выполняется последовательно в соот­ ветствии с его структурной схемой, вначале для объекта в целом, затем для составляющих его узлов, далее для деталей, входящих в узел.

При определении функций следует придерживаться следующих правил. Формулирование должно содержать глагол и существительное (например, для корпуса устройства - удерживать детали). Формулирова­ ние не должно привязываться к существующему конструкторскому или технологическому решению. При формулировании функций реально су­ ществующего объекта или отдельного узла, элемента, детали необходимо выявить не только те функции, для выполнения которых он предназначен, но и все остальные выполняемые им функции, в том числе ненужные и вредные. Желательно, кроме того, учесть и потенциальные функции, те, которые объект сможет выполнять в дальнейшем; например, при измене­ нии технических требований. Существует ряд способов и приемов, облег­ чающих выявление и группирование функций; например, метод система­

тизированного анализа функций (FAST).

Совокупность функций объекта и его составных частей удобно представить в виде матрицы функций. В табл. 7.8 приведена матрица функций книжной полки.

чающихся от существующего, и получить в результате возможность срав­ нения и выбора лучшего из них.

7.5.5.Стоимостная оценка функций

Втех случаях, когда данный узел или деталь выполняет единствен­ ную функцию, затраты на нее можно определить, рассчитав себестоимость этого узла или детали. При выполнении им нескольких функций эти затра­ ты распределяются пропорционально вкладу данного устройства в выпол­ нение каждой из них. Для определения вклада обычно используют экс­

пертные оценки.

Вбольшинстве случаев стоимость функций оценивают методом сравнения. При этом необходимо отыскать объекты, выполняющие сход­ ные функции, и установить показатели, по которым их можно сравнивать. Например, при использовании изделий из древесины и древесных мате­ риалов в качестве конструкционных элементов следует оценивать их стоимость с учетом прочностных характеристик. В связи с этим может оказаться полезным показатель стоимости изделия в пересчете на единицу прочности.

Одним из показателей конструктивного совершенства изделия в це­ лом может служить отношение затрат, связанных с выполнением главной функции, к суммарным затратам. Аналогичным образом для отдельных уз­ лов изделия рассматривают доли затрат, приходящиеся на выполнение ос­ новных, вспомогательных, а также ненужных и вредных функций в общих затратах. По некоторым оценкам [23], затраты, связанные с выполнением основных функций, обычно составляют от V5 до V3 всех затрат; для вспо­ могательных функций - половину и более; для ненужных - до 10... 12 %. Отметим, что стоимостная оценка функций для многих существующих конструкций мебельных изделий позволяет установить в них преобладание доли затрат, связанных с эстетическими функциями.. f

7.3.4.Поиск эффективных решений в

функционально-стоимостном анализе

После анализа и стоимостной оценки функций приступают к поиску новых вариантов осуществления тех функций, реализация которых оказа­ лась неудовлетворительной. Здесь используют целый ряд методов и прие­ мов совершенствования творческого мышления. Исследования последних десятилетий позволяют говорить о становлении методологии решения творческих задач. Рассмотрим здесь лишь некоторые методы и приемы [3].

Морфологический метод. По этому методу на первом этапе выяв­ ляют основные параметры, характеризующие вновь создаваемый объект, и определяют все их допустимые значения. На втором этапе рассматривают все возможные сочетания значений этих параметров. Каждое из таких со­

четаний соответствует некоторому объекту - существующему или гипо­ тетическому. Их анализ часто позволяет выявить эффективные решения. Отметим, что число сочетаний может быть очень велико. Если, например, объект характеризуется всего четырьмя параметрами, каждый из которых может принимать лишь пять значений, то следует проанализировать 54= 625 комбинаций.

Пример [21]. Пусть требуется создать новый композиционный материал на ос­

нове древесины. Предположим вначале, что он содержит две основные составляющие: древесный материал и материал недревесного происхождения - металл, пластмассу или минерал. Приведено 14 видов древесных материалов, которые потенциально можно использовать для этой цели: доски, шпон, щепа, стружка и т. д. Предположим, что мож­ но рассмотреть по пять видов для каждой из трех групп материалов недревесного происхождения (на самом деле, конечно, их намного больше). Всего, следовательно, будет 15 таких материалов. Тогда из 14 древесных и 15 недревесных материалов можно составить 15 х 14 = 210 комбинаций, т. е. рассмотреть 210 видов композиционных ма­ териалов, среди которых наряду с заведомо неосуществимыми и неэффективными имеются, по-видимому, и перспективные варианты. Предположим теперь, что компо­ зиционный материал состоит из трех элементов: одного древесного и двух недревесно­ го происхождения. Очевидно, что, имея по 5 видов металлов, пластмасс и минералов, можно образовать 3 x 5 x 5 = 75 различных пар, содержащих по одному элементу из разных групп: металл и пластмасса, металл и минерал, минерал и пластмасса. Все эти пары в сочетании с 14 древесными элементами дадут 75 х 14 = 1 050 вариантов таких композиционных материалов. Для материала из одного древесного и трех недревесных элементов будет уже 14 x5 x5 x 5 = 1 750 различных вариантов.

Ряд методов и приемов изобретательства направлен на преодоление психологической инерции. Психологической инерцией называют пред­ расположенность к стандартным, тривиальным способам решения задачи. Одним из таких приемов является формирование идеального конечного результата (ИКР). Здесь требуется вообразить идеальное решение про­ блемы, идеальный результат. Такой результат получился бы, если бы объ­ ект сам осуществлял требуемое действие. Поэтому в формулировании ИКР обязательно должно присутствовать слово «сам». Этот прием часто натал­ кивает на неожиданные, нетрадиционные решения задачи. Предположим, например, что надо придумать новый эффективный способ очистки стекол.

В первую очередь в силу психологической инерции в голову прихо­ дят стандартные решения, предполагающие применение щеток и других механических приспособлений. Метод ИКР рекомендует представить себе самоочищающееся стекло, что уже является толчком к генерированию но­ вых идей, связанных, например, с особой обработкой поверхности стекла или с использованием каких-либо физических полей, препятствующих оседанию частиц на стекло, и т. д.

Согласно приему, называемому принципом местного качества, требуется, чтобы каждая часть объекта находилась в условиях, наиболее благоприятных для его работы. Легко заметить, что это требование, по су­ ществу, обобщает всевозможные идеи, связанные с различного рода сор­

тированием. Например, целью сортирования пиломатериалов перед суш­ кой как раз и является установление наиболее благоприятных условий сушки для пиломатериалов каждого из сечений.

В литературе [3] рассмотрено 40 систематизированных приемов, объединенных в алгоритм решения изобретательских задач.

249

Глава 8

МЕТОДЫ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ В ДЕРЕВООБРАБОТКЕ

8.1.Общие сведения

Впредыдущих главах книги основное внимание уделялось оптими­ зационным задачам деревообработки. Тем самым предполагалось, что при математической постановке задачи можно рассмотреть некоторый количе­ ственный показатель и сформулировать цель задачи в виде отыскания его максимума или минимума. Однако во многих практических случаях изу­ чаемые объекты настолько сложны, что сформулировать единственный критерий оптимальности, всесторонне характеризующий систему и позво­ ляющий оценивать и сравнивать с его помощью различные варианты ре­ шений, оказывается невозможным. Если же это все-таки удается сделать, то существующие методы решения оптимизационных задач по той же причине становятся неэффективными. В подобных случаях обращаются к методам имитационного моделирования.

Имитационное моделирование - это изучение объектов путем проведения экспериментов на их математических моделях, реализованных на ЭВМ.

Если аналитический вид модели известен исследователю (см., на­ пример, различные модели объектов и оптимизационных задач, рассмот­ ренные в гл. 1, 3 и 4), то моделирование на ЭВМ сводится к многократно­ му просчету задачи при различных исходных данных. По-другому обстоит дело, если модель объекта задана в виде алгоритма его функционирования.

Втехнологических исследованиях, где часто имеют дело с многоста­ дийными процессами, сложными и громоздкими объектами, такой способ представления очень распространен. Алгоритм функционирования объекта может быть запрограммирован, и в этом случае исследование процесса выполняется на ЭВМ путем проигрывания на ней различных вариантов. Моделирование на ЭВМ позволяет при необходимости имитировать и воз­ действие случайных факторов на систему с помощью величин, обладаю­ щих одинаковыми с ними характеристиками.

Экспериментирование с моделью объекта, реализованной на ЭВМ, во многих отношениях предпочтительнее, чем исследования, проводимые на реальном объекте. Прежде всего, на реальных объектах зачастую нельзя обеспечить требуемые условия проведения эксперимента из-за нарушения установленного порядка или режимов работы системы. Иными словами, в реальных объектах исследуемые факторы часто неуправляемы. В экспери­ ментах же на модели такие факторы могут быть включены в исследование и варьироваться как управляемые переменные. Это относится, например, к