Технико-экономическое обоснование выбора проектного решения

Ниже приводятся две главы из книги – Глебов И.Т., Глухих В.В., Назаров И.В. Научно-техническое творчество: Учеб. пособие. – Екатеринбург: Урал. гос. лесотехн. ун-т., 2002.– 264 с. 

Глебов Иван Тихонович

Технико-экономическое обоснование

 выбора проектного решения

19. Эффективность проектных  решений

19.1. Основные технико-экономические параметры

Все параметры технического объекта можно поделить на две группы по зависимости их от окружающей среды.

Параметры первой группы называют показателями технического уровня. К ним относят показатели массовые, геометрические, компоновочные. Они не зависят от окружающей среды.

Параметры второй группы называют квалиметрическими (квалитет – качество) или основными характеристиками. К ним относят показатели производительности, долговечности, надежности, эксплуатабельности, управляемости, стоимости и др. Эти показатели зависят от окружающей среды [43].

Основными показателями, которые характеризуют процесс разработки и эксплуатации технического объекта, являются время, стоимость и надежность (рис. 33).Эти показатели тесно связаны между собой. Развитие процессов идет по спирали.

Прогнозируя технические решения, следует иметь в виду, что их сложность непрерывно возрастает, и поэтому время, необходимое на их разработку, тоже увеличивается. Кроме того, растет время на изготовление и наладку технических объектов.

Усложнение технических объектов приводит к росту затрат общества на их разработку и эксплуатацию. Чем больше новизна разрабатываемого технического решения, тем выше затраты общества на его разработку  и промышленное освоение. Особенно возрастает стоимость ремонта и обслуживания. Например, стоимость изготовления трактора ДТ-75 меньше стоимости его ремонта за срок службы 8…9 лет в 2,5 раза.

Для уменьшения расходов на эксплуатацию необходимо повысить надежность технического объекта в период его использования. Связь показателей “время – стоимость – надежность” может быть и обратно пропорциональной. Например, если разрабатывается технический объект с заданными показателями надежности в заданное время, то придется увеличить стоимость изготовления за счет увеличения трудовых ресурсов или использования дорогостоящих, но надежных, компонентов. Если нет возможности увеличить ресурсы на изготовление, то придется попуститься надежностью за счет увеличения срока разработки.

где  П – прирост прибыли;

       З – прирост затрат.

Если Э < 3, то за рубежом, например, все работы по разработке нового технического решения прекращаются [13]

19.2.  Критерии развития технических объектов

19.2.1. Классификация критериев

Критерии развития – это те параметры технического объекта, которые на протяжении длительного времени монотонно изменяются, приближаясь к своему пределу, и выступают мерой совершенства и прогрессивности.

Технические объекты совершенствуются в направлении улучшения критериев. Поскольку качество любой машины оценивается по нескольким критериям, то принцип прогрессивного развития заключается в улучшении одних и не ухудшении других критериев.

Для оценки качества машин используют четыре группы критериев развития: функциональные, технологические, экономические и антропологические.

19.2.2. Функциональные критерии развития

Функциональные критерии развития характеризуют производительность, точность и надежность станков. Критерий производительности зависит от ряда параметров (скорость, частота вращения валов, количество шпинделей и т.п.), влияющих на производительность станка.

Точность изготовления изделий регулируется квалитетами.

Критерий надежности отражает свойство машины выполнять определенные функции, сохраняя эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени или необходимой наработки [13]. Надежность машины включает показатели безотказности, ремонтопригодности, сохраняемости, долговечности. Количественными критериями надежности служат вероятность безотказной работы, число отказов (или интенсивность отказов) и наработка на отказ.

19.2.3. Технологические критерии развития

Технологические критерии развития характеризуют возможность экономии живого труда при изготовлении и подготовке к эксплуатации машин.

Критерий трудоемкости изготовления машины находят как частное от деления суммарной трудоемкости А_ТС проектирования, изготовления и подготовки к эксплуатации изделия на главный показатель эффективности Q:

                                         К_т = А_тс/Q.

В качестве главного показателя эффективности машины можно принять установленную мощность приводов, кВт, или другой показатель.

Критерий технологических возможностей отражает простоту и принципиальную возможность изготовления машины. Характеризуется он коэффициентом технологических возможностей К_тв.

  Значение коэффициента  0 £ К_тв £ 1,  и чем он больше, тем больше сохраняются известные решения в машине, тем в большей степени используются покупные и унифицированные элементы, многократно проверенные в работе и изготовлении.

  Конструктор часто стремится удовлетворить высокие требования к машине известными, традиционными структурами, используя конструктивные решения, уже отработанные на известных образцах. Такой подход требует минимума затрат времени и средств, но влечет за собой нежелательные последствия.

  При излишнем увлечении преемственностью, заимствованием, унификацией, попыткой воспользоваться тем, что уже создано и опробовано, невозможно обеспечить требуемого роста уровня показателей машин, невозможно лидировать на мировом рынке. Спроектированные таким образом машины быстро морально стареют и через короткое время нуждаются в дополнительной модернизации.

  Однако это не значит, что надо разрабатывать только новые машины. Как правило, желаемого результата можно достичь при комбинации известных решений с новыми структурными решениями, построенными на современных физических и технологических принципах.

  Обычно в новые современные машины из ранее разработанных прототипов переносится в среднем до 50% конструктивных решений без переделок или с частичными изменениями. При этом высокие значения     показателей преемственности достигаются в основном за счет второстепенных структурных элементов, переносимых из одного поколения машин в другое.  Основные  подсистемы   при  этом,  как  правило,  создаются заново [43].

  Критерий использования металлов К_им  характеризует технологический процесс изготовления деталей машины и равен отношению массы машины G к массе израсходованных материалов Р (при этом покупные комплектующие элементы не учитываются): К_им = G/P .

  Значение  К_им  в целом не превышает 0,55.

  Критерий расчленения машины на элементы служит мерой оптимальности расчленения машины на узлы и детали с целью упрощения технологии разработки, доводки, изготовления, ремонта, модернизации, унификации и стандартизации.

  Чем меньше в машине сборочных единиц и деталей, тем меньше ее масса, выше жесткость и надежность, меньше трудоемкость механической обработки и сборки.

  Большее расчленение машины на сборочные единицы и детали тоже имеет свои преимущества. Большее расчленение машины с новыми элементами позволяет сократить время и трудоемкость разработки и доводки машины в целом. В процессе разработки и доводки нового станка экономичнее и проще устранять недостатки отдельных более простых узлов и деталей. Расширяются возможности унификации и стандартизации.

19.2.4. Экономические критерии развития

Критерий металлоемкости К_м  равен отношению массы машины  G_к к ее главному  показателю  эффективности  Q  (установленная    мощность, кВт, максимальная ширина обработки, см, для фуговальных, рейсмусовых  и  других  станков,  производительность,  шт./мин,  м/мин и т.д.):  К_м =  G_к/Q.

Критерий энергоемкости К_э находится как отношение затраченной энергии при эксплуатации в единицу времени W к одному из показателей эффективности Q:  Кэ =  W/Q .

Критерий затрат на информационное обеспечение К_ио определяется как отношение затрат S на приобретение и эксплуатацию вычислительной техники, разработку программного или информационного обеспечения к одному из показателей эффективности Q:  К_ио = S/Q.

Критерий габаритных размеров К_г равен отношению габаритных размеров машины  V к  ее эффективности  Q : К_г =  V/Q .

Чем меньше значение К_г , тем меньше  машина занимает производственную площадь, тем меньше расход материалов на ее изготовление.

19.2.5. Антропологические критерии развития

Антропологические критерии развития обеспечивают  максимальную приспособленность машины к человеку, снижение дискомфорта,         повышение положительных эмоций.

Критерий эргономичности характеризует использование в системе человек-машина физических, психологических и интеллектуальных возможностей человека. Критерий равен отношению реализуемой эффективности системы человек–машина к максимально возможной эффективности этой системы.

Критерии красоты, безопасности и экологичности характеризуют внешний вид машины, ее безопасность и способность не причинять вреда окружающей среде.

19.2.6. Критерии для оценки деревообрабатывающих машин

  Общее количество критериев, применяемых для оценки деревообрабатывающих машин, можно разделить на две группы: общие для всех случаев (глобальные) и критерии, характерные для частных случаев [44].

  Из числа глобальных наиболее важными считают следующие:

  – повышение уровня автоматизации основных технологических операций;

  – повышение уровня механизации и автоматизации  вспомогательных операций;

  – повышение непрерывности процесса обработки;

  – увеличение надежности работы станка;

  – снижение уровня трудозатрат живого труда в изделии;

  – снижение общей трудоемкости изделия;

  – повышение уровня технологичности станка;

  – снижение материалоемкости (металлоемкости) станка;

  – достижение оптимального расчленения станка на части;

  – снижение энергопотребления;

  – уменьшение габаритов станка;

  – улучшение условий эксплуатации и обслуживания станка;

  – повышение безопасности работы и обслуживания станка;

  – улучшение внешнего вида (красоты) станка;

  – повышение экологичности станка.

  В качестве частных критериев, часто используемых при оценке станков и их узлов, назовем следующие:

  – высокая скорость резания;

  – широкий диапазон регулирования подачи;

  – плавность регулирования подачи;

  – точность и стабильность базирования;

  – точность обработки;

  – качество обработки;

  – устойчивость к вибрациям;

  – высокая износостойкость;

  – защищенность от перегрузок;

  – низкий уровень шума;

  – отсутствие монотонности в работе оператора;

  – легкость обслуживания;

  – простота системы управления;

  – отсутствие "капризных" механизмов, требующих частой наладки;

  – простота и удобство наладки станка.

  Для каждого конкретного случая проектирования технической системы конструктор подбирает перечень критериев развития из списка глобальных и частных критериев. Основой для выбора служат требования, предъявляемые к проектируемой системе. При этом уже на стадии выбора проектного решения конструктор стремится, чтобы система максимально удовлетворяла всем выбранным критериям.

Контрольные вопросы и задания

1.     Как называют параметры технического объекта, зависимые и независимые от окружающей среды?

2.     Что такое критерии развития?

3.     Приведите классификацию критериев развития.

4.     Как критерии развития учитывают преемственность технических объектов?

5.     Поясните сущность критерия расчленения технического объекта на элементы.

6.     Что учитывают эргономические критерии развития?

7.     Какие критерии называют общими и частными?

19.3. Оптимизация технических решений

19.3.1. Общие сведения

Для решения задачи оптимизации необходимо иметь множество возможных (альтернативных) решений Y  (рис. 35). В этом множестве можно выделить множество допустимых решений Y_д. Решение называют допустимым, если оно удовлетворяет ограничениям (требованиям, предъявляемым к объекту): ресурсным, социальным и т.д. При этом

Y_д  Í Y,

где символ Í означает, что множество Y_д есть часть или совпадает с множеством Y возможных решений. В множестве допустимых решений можно выделить множество эффективных решений Y_э, которое включает в себя несравнимые между собой наилучшие решения:

Y_э  Í Y_д.

Решение Y_э называется оптимальным, если оно обеспечивает экстремум (максимум, минимум) одновременно всех критериев. Оптимальное решение находится в множестве эффективных решений:

Y_о  Í Y_э.

Поскольку все критерии одновременно не могут принять экстремальные значения, то при решении многокритериальной задачи находят только рациональное решение.

Y_о  Í Y_э  Í Y_д  Í Y.

Чем больше подобрано альтернативных вариантов, и чем более удачно подобраны критерии, тем больше вероятность того, что найденное решение будет самым лучшим.

В инженерной практике оптимизации можно отметить два правила:

–       получение желаемого эффекта при минимуме затрат;

–       получение максимального эффекта при использовании заданных ограниченных ресурсов.

Эти правила обрели значение экономических законов.

Субъектом всякого решения является лицо, принимающее решение (ЛПР). Это собирательное понятие, включающее как одно индивидуальное лицо, так и группу лиц (групповое    ЛПР) [47].

ЛРП осуществляет выбор решения. Выбор – это ключевая процедура процесса оптимизации. Выбор может быть критериальный, волевой и случайный.

С помощью критериев решаются одно- и многокритериальные задачи. Выбор с помощью критериев – самый точный.

Волевой выбор решения представляет собой осознанный и ответственный выбор в условиях, когда отсутствует полный комплекс критериев.

Случайный выбор применяется при полном незнании критериев оценки. Им можно пользоваться, когда область допустимых решений минимальна.

19.3.2. Концепция принятия решений

Концепция принятия решений представляет собою       систему взглядов, которая определяет общую направленность и методику принятия решений. Концепция включает следующие пункты [47].

1.     В задаче принятия решений ЛПР выполняет основную роль.  Оно принимает решения на основе своих предпочтений и несет за них ответственность.

2.     Эксперты выполняют вспомогательную роль. Они несут ответственность только за свои рекомендации.

3.     Измерение качества решений осуществляется на основе формирования альтернативных вариантов и их сравнительной оценки. Для оценки нужны альтернативные варианты, хотя бы два. Сравнительная оценка решений является единственным способом измерения предпочтительности в условиях отсутствия эталонов.

4.     В условиях неопределенности может не существовать единственного оптимального решения. Для ЛПР, имеющих различные предпочтения, решения будут разными.

19.3.3. Ранжирование

Для облегчения процесса выбора, исследуемые варианты оцениваются количественно и качественно. Количественное измерение важности и предпочтительности вариантов решений выполняется методом ранжирования.

Ранжирование – это процедура упорядочения. Выполняется она ЛПР. При ранжировании варианты решений расставляются в порядке предпочтения по отношению к каждому критерию.

Если среди вариантов нет эквивалентных (равнозначных) решений, то из них можно составить последовательность

                                           (37)

где   вариант х₁ более предпочтителен из всех вариантов;

        вариант х₂ менее предпочтителен х₁, но предпочтительнее всех остальных и т.д.

Отношение (1) можно записать отношением чисел

с₁ > с₂ > с₃ >… > с_m.

Возможна обратная последовательность чисел

с₁ < с₂ < с₃ <… < с_m.                                             (38)

Если наиболее предпочтительному варианту присвоить число 1, то получим числовую последовательность

1 < 2 < 3 <…< m.                                                (39)

Здесь числа 1, 2, 3,…m называют рангами.

При ранжировании наиболее предпочтительному варианту присваивается ранг, равный единице, второму по предпочтительности – ранг, равный двум и т.д. Для эквивалентных вариантов назначаются одинаковые ранги, равные среднему арифметическому значению рангов. В этом случае, например, ранги  r₁ = r₂ = r₃ = (3+4+5)/3 = 4.

19.3.4. Выбор эффективных решений

Выбор решений – это заключительный и наиболее ответственный этап процесса принятия решений. Выбор выполняют путем последовательного сужения области решений и уменьшения неопределенностей. При этом множество допустимых вариантов решений сужается до множества эффективных вариантов решений. Процедура эта выполняется следующим образом.

Пусть множество допустимых решений содержит варианты Y₁, Y₂,… Y₈. Для оценки вариантов подобраны критерии вариантов  А₁, А₂,… А₆.

Для определения эффективных решений значения всех критериев развития по вариантам приводят к рангам, и результаты заносят в таблицу (табл. 21).

Таблица 21

Ранжирование вариантов решений по критериям

Сначала ранжируют варианты решений по критерию А₁. Для этого надо определить: в каком решении критерий А₁ наилучшим образом реализован. В приведенном примере предпочтение отдано варианту Y₁, и ему присвоен ранг 1. Остальные варианты решений менее предпочтительны, и им присвоены ранги в пределах 2…5. Затем решения ранжируют последовательно по остальным критериям.

Определение области эффективных решений делается путем попарного сравнения вариантов решений. Сравнение выполняются по принципу Парето, согласно которому одно решение Y_i предпочтительнее другого решения Y_j, если выполняется векторное отношение “не хуже”:

(у_i1, у_i2, … у_iq,) ³ (у_j1, у_j2, … у_jq,).

Таким образом, одно решение предпочтительнее другого, если все значения рангов первого решения не хуже значений соответствующих рангов второго решения и, по крайней мере, для одного критерия имеет место строгое предпочтение.

Будем сравнивать решения попарно. Сравниваем ранги решений Y₁ и Y₂. Первое решение будет предпочтительнее второго, так как его ранги выше, а шестой ранг не хуже чем у второго. Второе решение исключается из дальнейшего рассмотрения.

Затем сравниваем Y₁ и Y₃. Все ранги первого решения выше, чем у третьего, но  второй ранг хуже и поэтому третье решение исключить из рассмотрения нельзя.

Сравнивая попарно остальные решения, приходим к выводу, что все они хуже, чем решения Y₁ и Y₃. Все они исключаются из дальнейшего рассмотрения.

Таким образом, область допустимых решений сужена до двух эффективных решений Y₁ и Y₃.

19.3.5. Определение единственного решения

Определение единственного решения – заключительный этап процедуры выбора. Для решения задачи нужна дополнительная информация.     Если такой информации нет, то решение можно выбрать из области эффективных решений волевым порядком. Волевое решение будет близко к        оптимальному.

Дополнительная информация может быть подготовлена группой экспертов, которые могут установить вес w_j  для каждого выбранного      критерия. Вес критерия назначают в пределах 0…1 (1 – существенная      значимость критерия; 0,5 умеренная значимость; 0 – несущественная       значимость). Для оптимального решения

                                        (40)

где К_s – значения рангов для каждого решения.

Для предыдущего примера результаты выбора рационального решения сведены в табл. 22.

Таблица 22

Выбор рационального решения

Оптимальным будет решение Y₁.

Таким образом, рациональным будет то решение, для       которого указанная сумма будет минимальна.

19.3.6. Пример выбора оптимального решения

Дано: на начальной стадии проектирования лесопильной установки для распиловки бревен на пиломатериалы было предложено три варианта установки: лесопильная рама Р, ленточнопильный станок Л, круглопильный станок Ц.

Основные требования, предъявляемые к лесопильной установке:

–       минимум энергопотребления;

–       максимальная производительность;

–       максимальный выход пиломатериалов за счет сокращения доли опилок;

–       минимальная металлоемкость;

–       надежность, безотказность в работе.

Требуется выбрать для дальнейшего проектирования лучшую лесопильную установку.

Решение. За критерии оценки вариантов приняты указанные требования:

К₁ – критерий энергопотребления;

К₂ – критерий производительности;

К₃ – критерий выхода пиломатериалов;

К₄ – критерий надежности;

К₅ – критерий металлоемкости.

Определение множества эффективных решений. Для этого составим табл. 23 и проведем ранжирование вариантов по каждому критерию.

Таблица 23

Ранжирование вариантов по критериям

Критерий К₁ – энергопотребление. Энергопотребление будет меньше для того станка, у которого пила будет тоньше. По энергопотреблению предпочтение отдается ленточнопильному станку и ему присваивается  ранг 1. Лесопильная рама менее предпочтительна, а круглопильный станок – самый энергоемкий.

Критерий К₂ – производительность. Анализ производительности сделан по известным серийно выпускаемым станкам моделей Ц8Д8,    2Р50-3, ЛБЛ-150. Максимальная скорость подачи V_sm приведена к одной пиле:

для круглопильного станка Ц8Д8 –  ранг R = 1;  

   V_sm = V_sZ/1000 = 60 × 8 = 480 м/мин;

для лесопильной рамы 2Р50-3 – ранг R = 2;  

   V_sm = S_2xnZ/1000 =  75 × 360 × 10/1000 = 270 м /мин;

для ленточнопильного станка ЛБЛ-150 – ранг R = 3;   V_sm = 90 м/мин.

Критерий К₃ – выход пиломатериалов. Предпочтение вариантов связано с толщиной пилы станка. Чем тоньше пила, тем меньше образуется опилок и тем больше выход пиломатериалов.

Критерий К₄ – надежность, безотказность в работе. О надежности работы станка будем судить по безотказной работе пилы (возможные отказы – обрыв полотна пилы, потеря плоского напряженного состояния).

Критерий К₅ – металлоемкость. Считаем, что самым легким станком будет ленточнопильный, ему присвоим ранг 1.

Сравнение вариантов ведем попарно по принципу Парето. Согласно принципу Парето первый вариант решения предпочтительнее второго, если ранги первого решения по всем критериям не хуже соответствующих рангов второго решения.

Попарное сравнение вариантов показало, что эквивалентных и заведомо плохих вариантов станков нет. Все варианты можно отнести к эффективным решениям.

 Поиск единичного, наилучшего решения. Для выбора наилучшего варианта необходимо дополнительно знать весовой коэффициент К_s для каждого критерия. Значения коэффициентов находятся экспертной комиссией на основании личных предпочтений каждого из экспертов. Оптимальное решение находится минимизацией суммы эффективных вариантов (табл. 24):

Таблица 24

Оптимизация вариантов

Лучший вариант – ленточнопильный станок.

Контрольные вопросы

1.     При каких условиях возможно решение задачи оптимизации?

2.     Поясните  содержание концепции принятия решений при оптимизации.

3.     Что такое ранжирование? Какова процедура его  выполнения?

4.     Приведите пример ранжирования.

5.     Как осуществляется оценка вариантов по принципу Парето?

6.     Как найти наилучший вариант решения задачи?

20. Технико-экономическое обоснование проектного решения

Любая приближенная оценка разрабатываемого технического решения лучше, чем отсутствие оценки

(Из книги Евланова Л.Г. "Теория и практика применения решений")

  Каждое техническое решение, закладываемое в разрабатываемый объект, влечет за собой определенные затраты в изготовлении, эксплуатации и последующей утилизации и поэтому должно быть экономически оправданным.

Уже в начальной стадии проектирования разработчик имеет дело с вариантами решения задачи. Хорошо бы дать качественную и количественную оценки каждого из этих вариантов. Однако в начале проектирования конструктор не располагает достаточными данными для количественной оценки критериев. Значения критериев можно сосчитать только лишь при детальной проработке интересующего варианта конструкции, на что будет потрачено время и материальные ресурсы. В связи с этим выбор       варианта производят по методике, изложенной выше.

Ниже разобран пример решения задачи.

20.1. Задача

  Пусть темой проекта будет разработка линии для сращивания короткомерных пиломатериалов по длине. Информационные исследования уже выполнены и представлены на рис. 12 и 14. Опираясь на них, надо выбрать прототип с целью его улучшения. Это ответственная задача, так как прототип формирует сущность проектного решения. Если прототип будет выбран неудачно, то и проектное решение будет слабым.

Улучшая прототип, надо подготовить множество альтернативных вариантов решения задачи с тем, чтобы из них выбрать наилучшее решение. Алгоритм разработки проектного решения можно представить схемой (рис.36) [14, 43].

1. Описание проблемной ситуации.   В деревообрабатывающем цехе  образуются   кусковые  отходы  сухих  пиломатериалов  длиной 100 ... 300 мм. Объем отходов – 2 м³ в смену.  Сейчас эти отходы не находят применения и сжигаются. Цех несет убытки.

Для разрешения проблемной ситуации кусковые отходы древесины можно склеивать по длине на зубчатые шипы. Так, по крайней мере, делается в мировой практике.

Этому мешает отсутствие необходимого оборудования. Существующие линии, например фирмы Dimter, позволяют склеивать пиломатериалы длиной только 220...1000 мм или 300...2000 мм. Эти линии имеют большую производительность и значительные габариты (ширина их 5 м, а длина 15 м).  Линии не пригодны для работы в небольших цехах – они занимают большую производственную площадь, и их невозможно загрузить по производительности.  

Решение проблемы позволит дополнительно получить около 1,7 м³ пиломатериалов в смену по одному цеху.

  2. Описание функции технического объекта. Обобщенное описание: линия должна обеспечить нарезание зубчатых шипов на обоих торцах заготовок немерной длины, нанесение клея на шипы, сборку и продольное прессование склеиваемых заготовок. Получаемая на выходе бесконечная лента пиломатериала должна раскраиваться на заданный размер по длине.

Количественное описание: размеры склеиваемых заготовок, мм:  длина   100...300,  ширина   50...150,  толщина    25...50,  производительность – 2 м³ кусковых отходов в смену.

  3. Выбор прототипа и составление списка требований к нему. На основании имеющейся обобщенной информации (см. рис.12 и 14) можно сделать вывод, что наиболее перспективными являются те линии сращивания пиломатериалов по длине, в которых заготовки складываются в пакет формы "брус" для нарезания зубчатых шипов и нанесения клея, а затем поштучно подаются на сборку и продольное сжатие в продольный пресс.