Функционально-стоимостной анализ инженерных решений

Любое проектируемое изделие или систему можно пред ставить не только в виде набора структурных элементов, из которых оно состоит, т.е. из узлов, агрегатов, подсистем, но и в виде комплекса функций, которые оно должно выполнять в соответствии со своим назначением. Именно такой подход лежит в основефункционально-стоимостного анализа (ФСА), задачей которого является прежде всего минимизация затрат на реализацию необходимого комплекса функций при заданном качестве. Математическая модель может быть представлена следующим образом:

где Sj — затраты на реализацию j-той функции;

Pоб — обобщающий показатель качества изделия;

m_ф — число функций.

Однако чаще всего в задачах, решаемых с помощью методики ФСА, строгая оптимизация с помощью математических методов не выполняется. Используется специальный набор методов и приемов, включающих функционально-структурное моделирование и прогнозирование, оперативное оценивание и сравнительный анализ инженерных решений, коллективные формы творческой деятельности, экспертные методы.

При исследовании уже существующих, производимых промышленностью изделий ФСА используют как для устранения функциональной избыточности, т.е. для ликвидации всего лишнего и неоправданного в конструкции, так и для снижения затрат на выполнение необходимых функций.

Далеко не все предложения, выдвигаемые на этапах ФСА, удается внедрить в действующее производство. Иногда для этого требуется переделка оборудования, замена оснастки, поиск новых поставщиков комплектующих изделий и т.п.

Более эффективно использовать ФСА при разработке новых изделий. Последовательность и методика анализа уже изготавливаемого и только разрабатываемого изделий существенно отличаются.. Предметом ФСА могут быть не только конструкции и их составные части, но и любые процессы, предполагающие конечный результат, в том числе технологические процессы.

В дальнейшем рассматривается ФСА изделия, уже находящегося в производстве.

Функция — начальное понятие в ФСА.Под функцией понимается проявление и сохранение свойств изделия в определенной системе взаимодействия с внешней средой. Совокупность проявляющихся через функции свойств составляет качество изделия. Следовательно, минимизируя затраты на функцию, минимизируют затраты на достижение заданного уровня качества.

При определении функций стремятся абстрагироваться от их конкретной реализации в виде того или иного конструкторского решения. Формулировка функции должна быть достаточно точной и иметь законченный логический смысл. Понятие «функция» для машиностроительных изделий и их элементов предполагает какой-то процесс, работу, действие. Желательно, чтобы объект действия был измеряемым понятием, поскольку значения параметров важны с точки зрения заданного уровня качества. Определяя функции, удается, как бы отойти, абстрагироваться от конкретной конструкции.

Классификация функций осуществляется чаще всего по следующим признакам: область проявления, роль в удовлетворении потребностей, роль в обеспечении работоспособности изделия, степень полезности (рис.).

Рис. Классификация функций объекта в процессе ФСА

Внешние функции характеризуют связь объекта с внешней средой,внутренние — связи внутри объекта, между его составляющими, обусловленные принципами построения объекта.

При создании многофункциональных сложных технических систем возникает необходимость выделения среди внешних главной функции, характеризующей основное назначение объекта. Техническое решение по главной функции определяет принцип функционирования и общий конструктивный облик изделия. Однако часто функции, отнесенные к разрядувторостепенных, не менее полезны и важны для потребителя (на пример, «обеспечить безопасность работы»). Иногда две-три функции назначения могут иметь практически одинаковые ранги, но в разных условиях применения ранги изменяются, и ранг главной могут приобретать другие функции.

Внутренние функции по роли в обеспечении работоспособности подразделяются наосновные и вспомогательные:

основные способствуют реализации главной и второстепенных функций, а вспомогательные — реализации основных.

К основным можно отнести функции приема, ввода, пере дачи, преобразования, хранения, выдачи (вещества, энергии, информации и т.д.); квспомогательным — соединительные, фиксирующие, направляющие, изолирующие и другие подобные функции. Последовательный перечень основных функций составляет функциональное описание объекта или его состав ной части. Например, для механизма привода станка главная функция — «приводить станок в действие», второстепенные

• «не требовать специального обслуживания», «создавать минимум шума»; основные функции, обеспечивающие выполнение главной — «создать момент вращения», «передать момент вращения», «преобразовать частоту вращения»; вспомогательные функции по отношению к основной функции «преобразовать частоту вращения»: «передать вращение», «уменьшить количество оборотов», «держать внутренние де тали» и т.д.

Внешние и внутренние функции по степени полезности делятся на:

• полезные, отражающие необходимые свойства и определяющие работоспособность изделия;

• бесполезные, не влияющие на работоспособность и создающие излишние затраты;

• вредные — отрицательно влияющие на работоспособность и повышающие затраты.

Типовую цепочку ФСА в общем виде можно представить следующим, образом: поиск рациональной функционально-параметрической характеристики объекта, функционально-структурный анализ, экономическая оценка функций и определение направления поиска новых технических решений, сравнительная оценка вариантов технических решений и обоснование лучшего. Исходя из этого сформировалась типовая последовательность этапов ФСА: подготовительный, информационный, аналитический, творческий, исследовательский, рекомендательный.

1. Подготовительный этап. Выбор объекта и организация работ.

2. Информационный этап. Сбор информации об объекте (планируемый объем выпуска, себестоимость, рентабельность, чертежи, спецификации, ГОСТ, ОСТ, ТУ, стандарты предприятия, патентные источники, рекламации и т.д.).

3. Аналитический этап. Выявление и классификация функций, построение функционально-структурной модели изделия, определение важности и значимости функций, распре деление по функциям материальных затрат, расчет затрат на каждую функцию, построение функционально-стоимостной диаграммы.

Машиностроительное изделие представляет собой, как правило, сложную иерархическую систему, состоящую из подсистем, агрегатов, узлов, деталей. Ей соответствует такая же иерархия функций. Функционально-структурная модель совмещает иерархию функций с материальными элементами, обеспечивающими выполнение функций (рис.) .Степень детализации функционально-структурной модели (число уровней n и число функций m) должна соответствовать характеру решаемой задачи; рекомендуется n = 3 - 4, m< 20. На каждом иерархическом уровне экспертно определяетсязначимостькаждой j-той функции k-го уровня t_kij обеспечивающей выполнение i-той функции вышестоящего уровня, при условии

где m_k — число функций k-го уровня, обеспечивающих выполнение i -й функции {k - 1) уровня.

Рис. Функционально-структурная модель объекта ФСА

Относительная важность функции, т.е. ее вклад в выполнение главной, определяется по вертикальной цепочке уровней как произведение значимостей :

Rj = Пt_kij, k =0..n

где n—число уровней.

Определитьзатраты на функцию было бы сравнительно просто, если бы каждый материальный элемент участвовал в выполнении только одной функции. Поскольку чаще всего он участвует в выполнении нескольких, то экспертным путем определяется его вклад в выполнение j-й функции g_ij, в долях единицы.

Затраты на функцию чаще всего определяются как

p

Sj = S Sig_ij

где Si — себестоимость i-го материального элемента. Ее определяют одним из методов прогнозирования себестоимости, приведенных в данном пособии; можно также использовать прейскуранты и заводские калькуляции;

р — число элементов, реализующих j-ю функцию.

Тогда относительная стоимость функции

Sотнj = Sj / S

где S — себестоимость изделия, а Sотнj представляет собой удельный вес затрат на j-ю функцию в себестоимости изделия.

В результате получаем, несмотря на возможную субъективность экспертных оценок, удобную для последующего анализафункционально-стоимостную диаграмму (рис.).

Рис. Функционально-стоимостная диаграмма. Определение точек рассогласования.

При ее построении по горизонтальной оси располагают функции одного уровня, а по вертикальной оси вниз — относительную важность каждой функции, вверх — относительную стоимость. Такая диаграмма позволяет выявить так называемые «точки рассогласования», где Sотнj > Rj; эти выявленные функции и способы их реализации и являются предметом исследования на дальнейших этапах. Отсутствие рассогласования может объясняться как хорошей отработкой конструкции, так и несовершенством функционально-структурной схемы и недостаточной квалификацией экспертов.

4. Творческий этап. Поиск возможных путей устранения точек рассогласования или уменьшения стоимости реализации функций. Широко используются такие 4юрмы коллективного творчества, как мозговая атака, конференция идей, творческие совещания, метод контрольных вопросов и т.п. При поиске альтернативных вариантов реализации отдельной функции используют морфологический анализ и картотеку типичных решений .

Все возможные варианты решений для последующей оценки также можно систематизировать с помощью «морфологи ческой матрицы», где по строкам расположены функции, а по столбцам — варианты их реализации (рис.). Комбинация различных вариантов по всем функциям определяет возможную конструкцию изделия. Однако прежде чем синтезировать конструкцию, необходимо оценить реальность выполнения и «совместимость» отдельных вариантов; в противном случае набор может оказаться бессмысленным.

Рис. Морфологическая матрица вариантов реализации функций.

Предложенные варианты — *;принятые к рассмотрению—*.

Результат творческого этапа — альтернативные варианты реализации функций.

5. Исследовательский этап состоит в рассмотрении пре имуществ и недостатков предложенных вариантов реализации функций и в оценке затрат. Обсуждение, оценка и отбор вари антов не менее важная задача, чем их поиск. Прежде всего, варианты рассматривают с позиций:

в работоспособности (работоспособные, неработоспособные);

" времени осуществления (неосуществимые по техническим причинам, предлагаемые для перспективного внедрения, предлагаемые для безотлагательного внедрения);

* экономической эффективности.

Варианты, предлагаемые для внедрения, подвергаются экспертной оценке по уровню выполнения технических требований и ранжируются по обеспечиваемым свойствам и по степени приближения к «цели по затратам».

Выбор «цели по затратам» — особенность именно функционально-стоимостного анализа. Один из возможных способов ее определения заключается в том, чтобы найти для каждой функции вариант с минимальными затратами, т.е. наиболее дешевый способ ее реализации.

Суммируя затраты по этим вариантам, определяют минимально возможную себестоимость проектируемого изделия. Однако снизить затраты до этого теоретического минимума практически не удается, так как для объединения частных решений в единое целое могут потребоваться очень большие дополнительные средства. Тем не менее степень приближения к этому минимуму может служить основанием для ранжирования предложенных вариантов.

6. Рекомендательный этап заключается в подготовке не обходимой документации в виде чертежей, эскизов, расчетов пояснительных записок по принятым вариантам реализации функций.

Характерные особенности ФСА — специфический предмет анализа (функции изделия), строго определенная последовательность проведения, широкое использование различных коллективных форм творчества, непрерывно осуществляемая экономическая оценка — позволяют рассматривать, его как отдельное и весьма эффективное направление технико-экономического анализа.

Оценка эффективности технических и экономических вариантов в условиях неопределенности.

Во многих случаях при создании новой техники и анализе ее эффективности нет достаточной информации об условиях функционирования, необходимых затратах, ожидаемом эффекте и т. д. При этом оптимизацию систем и выбор наиболее эффективных решений производят .в условиях так называемой неопределенности. Основные виды неопределенности могут быть обусловлены следующими факторами: недостаточной информацией об условиях функционирования систем; сложной структурой систем; наличием противоположных интересов участников операции; неопределенностью в постановке задач и выборе критериев эффективности. Перечислим указанные факторы.

При проектировании обычно ощущается недостаток сведений об условиях эксплуатации разрабатываемого объекта.

Существенные трудности возникают при определении экономических показателей новой техники: себестоимости, цены, капитальных вложений, эксплуатационных расходов. Эти показатели на начальных этапах проектирования приходится определять прогнозированием процесса.

Следующим фактором, приводящим к неопределенности, является взаимодействие отдельных подсистем — частей сложной системы. Для решения поставленных задач каждой подсистеме необходимы определенные ресурсы. При ограниченных общих ресурсах системы нерациональное использование различных средств в каждой под­системе приводит к различным последствиям функцио­нирования других подсистем и системы в целом. Таким образом, эффективность каждого из элементов сложной системы зависит от поведения других элементов, которое может быть частично или полностью неизвестным. В разработке новой техники могут принимать участие несколько организации, интересы которых не всегда полностью совпадают. Например, интересы поставщиков могут отличаться от интересов потребителей продукции; ограниченность ресурсов, необходимых нескольким организациям, может привести к тому или иному виду конфликта. Решения, принимаемые в одной из организаций, влияют на технико-экономические показатели систем, создаваемых другими организациями.

Возможна также неопределенность, обусловленная наличием неизвестных влияющих факторов. Неопределенность может быть обусловлена наличием нечетко поставленных целей и критериев эффективности принимаемых решений. Возможны следующие условия функционирования систем

1) полной определенности, описываемые детерминированными закономерностями;

2) описываемые вероятностными функциональными зависимостями;

3) неопределенности, характеризуемые величинами, вероятностное описание которых полностью или частич­но неизвестно.

При наличии второго и третьего вида неопределенностей для выбора оптимальных решений в настоящее время применяют теорию статистических решений и теорию игр. Оптимизации в условиях неопределенности также обладает некоторыми характерными особенностями. Обычно в процессе оптимизации технических систем при наличии неопределенности формулируют функцию эффективности Е(x, у), где х — вектор контролируемых параметров, а у—вектор, составляющие которого представляют неконтролируемые параметры. Составляющими вектора х могут быть: показатели качества систем и возможные пути ре­шения поставленных задач. Составляющие вектора у представляют: условия функционирования техники, показатели элементной базы и т.п. Эффективность систем определяют анализируя матрицу |Å(x, y)| при известном числе вариантов решения задачи xi, i=1, I, и конечном числе L неконтролируемых факторов yi, 1=1, L. Если минимизируют затраты, то в качестве Е(х, у) принимают затраты системы W(x, у). Если же максимизируют эффект, то функцию Е(x, у) представляет эффект системы Э(х, у). В соответствии с этим анализируют матрицу либо затрат |W(x, y)|, либо эффектов |Э(х, у)|. Однако известно, что эффективность принимаемых решений следует определять, сопоставляя эффект и затраты сравниваемых систем. Поэтому при технико-экономическом анализе потребуется формирование функций эффекта Э(х, у) и затрат W(x, у) и комплексный анализ матриц |Э(х, у)| и |W(х, у)|. При этом необходимо приводить сравниваемые альтернативы xÎX в сопоставимый вид по эффекту или по затратам в зависимости от используемых принципов оптимальности. Необходимым условием сопоставимости систем является сравнение их при одинаковом сочетании неконтролируемых факторов yj ÎY. При минимизации затрат в результате приведения систем в сопоставимый вид (например, варьированием технических параметров) матрица эффекта |Э(х, у)| преобразуется и приобретает вид |Э*(х, у)|. Если максимизируют эффект, то при сопоставимости альтернатив хÎХ матрица затрат |W(х, у)| преобразуется к виду |W*(x, у)|. Если, по условиям задачи, преобразованием матриц эффектов или затрат невозможно привести системы к сопоставимому виду, то определять матрицы ущербов следует по эффекту |Уэ(х, у)| и по затратам ||Уw,(х, у)|. Функции Уэ(х, у) и Уw,(х, у) будут представлять ущерб по эффекту и по затратам соответственно, обусловленный несопоставимостью сравниваемых систем. В данном случае преобразования матриц |Э(х, у)| и |W(х, у| не происходит.

Если при оценке эффективности, кроме вектора неконтролируемых факторов yÎY, учитываются случайные факторы, описываемые вектором zÎZ, то функции эффекта и затрат запишутся в виде Э(х, у, z) и W(x, у, z). Составляющие вектора z описываются вероятностными функциональными зависимостями. С учетом случайных факторов матрицы эффекта и затрат примут вид |Э(х, у, z)| и |W(x, у, z)|. Для выбора наиболее эффективных вариантов проектов при наличии неконтролируемых факторов применяются различные критерии; Лапласа, Вальда, Сэвиджа и др., технико-экономический анализ которых будет дан позднее. При этом обычно усредняют случайные факторы zÎZ.

Одними из наиболее простых, но в тоже время мощных методов анализа и оценки решений в условиях неполной информации являются методы экспертных оценок.