Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Теоретико-методологические основы функционально- стоимостного анализа 6
1.1 Основные положения и принципы ФСА 6
1.2 Информационное обеспечение процедур ФСА 16
1.3 Оценка значимости, относительной важности функций и функционально оправданных затрат по объекту и его элементам 27
Глава 2. Обзор методов системного анализа сложных систем 38
2.1 Функциональный подход к анализу технических систем 38
2.2 Комбинаторно-морфологический метод анализа и синтеза систем 62
2.3 Метод анализа иерархических систем» 74
2.4 Разработка автоматизированной системы поддержки процедур многокритериального принятия решений 87
Глава 3. Разработка и исследование процедур ФСА на основе методов системного анализа 97
3.1 Экономико-математические методы оценки затрат и калькулирования себестоимости 97
3.2 Методы системного анализа функциональных затрат 112
3.3 Исследование факторов снижения функциональных затрат с помощью иерархических систем 123
3.4 Применение комбинаторно-морфологического метода в задачах функционально-стоимостного анализа 132
Глава 4. Решение практических задач функционально-стоимостного анализа и синтеза технических систем 138
4.1 Решение задачи совершенствования системы-прототипа в рамках процедур ФСА 138
4.2 Синтез рациональных технических решений методом ФСА 141
Основные выводы и результаты работы 148
Список литературы 150
- Оценка значимости, относительной важности функций и функционально оправданных затрат по объекту и его элементам
- Комбинаторно-морфологический метод анализа и синтеза систем
- Разработка автоматизированной системы поддержки процедур многокритериального принятия решений
- Исследование факторов снижения функциональных затрат с помощью иерархических систем
Введение к работе
Определяющим фактором научно-технического прогресса является непрерывное обновление технических средств и технологий производства, другими словами - создание, разработка, освоение новой техники. Именно новая техника, возникающая на основе появляющихся научных идей, исследований и технических достижений, обеспечивает в современном производстве подавляющую долю ежегодного прироста производительности труда.
Промышленное производствоf играет решающую роль в ускорении НТП. Основным( направлением является мобилизация* методов и средств, которыми располагает современная наука, позволяющих эффективнее использовать материальные, трудовые и информационные ресурсы производства.
Учет всего комплекса организационных, экономических, социальных факторов, необходимость улучшения организации производства и научно-технической подготовки становятся обязательными аргументами при выборе вариантов машин, приборов, устройств, подлежащих запуску в серийное производство.
Многое в этом направлении сделано в сфере теории и практики технико-экономического анализа, своеобразной разновидностью которого можно считать функционально-стоимостной анализ.
Успехи в использовании этого метода, достигнутые в ряде отраслей народного хозяйства, в частности в электротехнической промышленности, электронике, энергетическом машиностроении, позволяет судить не только о жизнеспособности функционально-стоимостного анализа (ФСА), но и о высокой степени актуальности метода.
Будучи активным методом поиска резервов экономии и предотвращения излишних затрат, ФСА становится мощным инструментом при решении разнообразных задач - технических, организационных, управленческих.
4 Современное состояние работ по ФСА можно определить как переходный этап - от становления метода к широкому применению и распространению на различные сферы деятельности. В этих условиях успех применения ФСА для повышения эффективности производства зависит от ряда факторов, которые можно укрупненно представить тройкой: теория; техника и технология применения; организация и управление работами по ФСА. Комплексное решение этих трех видов задач обеспечит максимальное раскрытие возможностей метода.
Основными особенностями развития ФСА в современных условиях являются следующие:
совершенствование* и> углубление теоретических положений метода в связи с расширением сфер применения и их спецификой;
развитие математического аппарата, используемого в ФСА, в т.ч. привлечение методов моделирования и оптимизации;
интеграция задач управления затратами и управления качеством изделий в рамках единой системы управления эффективностью на основе целевого и функционального подходов, реализуемых с помощью ФСА и методов принятия решений;
усложнение работ по ФСА в связи с взаимным проникновением и переплетением конструктивных, технологических и организационных задач;
повышение уровня механизации и автоматизации.работ по ФСА, выполняемых как автономно, так и в составе действующих САПР и АСТПП, для снижения трудоемкости, минимизации потерь и повышения качества проведения ФСА.
Таким образом, очевидна актуальность и практическая значимость работ и исследований по развитию методологии ФСА.
В рамках определенных выше направлений и задач выполнена данная диссертационная работа.
Целью работы является разработка моделей и средств компьютерной поддержки процедур ФСА, основанных на методах многокритериального анализа и синтеза сложных систем.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи: разработать методики многокритериального синтеза и принятия решений при выполнении процедур ФСА технических систем; предложить качественные модели представления функций сложных технических систем; представить варианты моделей синтеза рациональных технических систем по комплексному критерию соотношения эффективности и затрат; разработать алгоритмы и программное обеспечение для задачи расчета векторов приоритетов и согласованности экспертных оценок.
Методы исследований. Для решения / поставленных задач
использованы методы системного анализа, комбинаторно-морфологический метод анализа и синтеза сложных систем, методики расчета затрат и калькулирования себестоимости промышленной продукции, метод' многокритериального принятия решений для анализа иерархических систем.
Научная новизна результатов, полученных в диссертации, заключается в следующем:
разработаны методики многокритериального синтеза и принятия s
решений в рамках выполнения процедур функционально-стоимостного
анализа технических систем;
предложены качественные модели представления функций
сложных технических систем;
представлены варианты моделей синтеза рациональных
технических систем по комплексному критерию соотношения
эффективности и затрат;
разработаны алгоритмы и программное обеспечение для расчета
векторов приоритетов в методе анализа иерархий при парном
сравнении альтернатив.
Оценка значимости, относительной важности функций и функционально оправданных затрат по объекту и его элементам
Положительное влияние функционального подхода, выражающееся в максимальном абстрагировании от конкретной реализации исследуемого объекта, было отмечено выше. Однако наряду с положительными существуют и отрицательные аспекты такого абстрагирования. В частности, чрезвычайно затрудняется оценка степени влияния каждой функции на работоспособность объекта в целом. Для вычисления этой степени влияния, называемой относительной важностью данной функции, предварительно производится экспертная оценка значимости всех функций, сводящаяся к определению степени влияния каждой из функций на функцию высшего уровня, т.е. входящую в менее детализированную матрицу взаимосвязи или находящуюся на более высоком уровне функциональной схемы.
Значимость по отношению к функции высшего уровня невозможно определить, не учитывая весь комплекс функций, направленных на ее реализацию.
Так, на рис. 1.4 приведен пример сетевой функциональной модели (ФМ), построенной на принципах, близких к принципам методики FAST. Для того чтобы определить в рамках этой ФМ значимость входящей в нее функции «упорядочивать данные», необходимо также определить значимость функций «периодически записывать данные в автоматическом режиме», «устанавливать режим доступа к данным» и «периодически копировать данные на магнитную ленту». Значимость каждой из этих функций определяется как степень участия в осуществлении, функции «сохранять данные».
Возможны, различные варианты проведения экспертной оценки значимости функций [10, 29]. К числу наиболее доступных в применении, относятся, например, метод попарных сравнений, при использовании которого строится матрица, где на пересечении строки и столбца фиксируются номера тех функций, которые оказываются наиболее важными при попарном сравнении. В табл. 1.4 приведена оценка функции («периодически записывать данные в автоматическом режиме»), («устанавливать режим доступа к данным»), («периодически копировать данные на магнитную ленту») и («упорядочивать данные»), реализующих функцию «сохранять данные» в соответствии с фрагментом ФМ, приведенным на рис. 1.4.
В графу 6 таблицы записываются количества предпочтений S, , полученных каждой функцией по отношению к остальным (т.е. количество предпочтений і -й функции, содержащихся в графах 2 - 5 і- й строки), а в графу 7 - значимости функций Р,, рассчитываемые по формуле где n - количество функций в оцениваемом комплексе. Поскольку при использовании метода попарных сравнений величина Sf, стоящая в знаменателе дроби, т.е. общее возможное число пред у почтении, равна (n - n) / 2 расчет значимости может также производиться по формуле Кроме метода попарных сравнений возможно также использование для оценки значимости функций метода расстановки приоритетов. В этом случае на первом этапе строится система сравнения функций, включающая символы « », « » и « = », обозначающие, соответственно, более высокую, меньшую и примерно равную значимость. Ниже приведен пример такой системы для функций F і («периодически записывать данные в автоматическом режиме»), F 2 («устанавливать режим доступа к данным»), F3 («периодически копировать данные на магнитную ленту») и F4 («упорядочивать данные»), реализующих функцию «сохранять данные» в соответствии с фрагментом ФМ, приведенным на рис. 21.
Затем на основании полученной системы строится матрица смежности, в которой символы « », « » и « = », заменяются коэффициентами предпочтения (в данном случае - соответственно 1,5; 1,0 и 0,5). Пример такой матрицы для показанной выше системы сравнения приведен в табл. 1.5.
По каждой строке матрицы определяется сумма U, присвоенных коэффициентов предпочтения. Затем вычисляются абсолютные приоритеты функций U, , для чего каждая строка в матрице умножается на вектор-столбец U,. Например, для соотношений, представленных в табл. 1.5, расчет выглядит следующим образом:
Значимости функций Н, рассчитываются в этом случае исходя из полученных значений их абсолютных приоритетов по формуле
Комбинаторно-морфологический метод анализа и синтеза систем
Основоположником метода классического анализа технических систем является швейцарский астрофизик Ф. Цвикки, который эффективно использовал свой подход по морфологическому анализу для конструирования в 30-х годах 20-го столетия астрономических приборов, ракетных двигателей и ракет. В работе [67] было показано, что метод морфологического исследования реализуется в два качественно различных этапа. Первый этап предлагает получение описания всех систем, принадлежащих к исследуемому классу, то есть классифицирование множества систем. Этот этап решения задачи называется морфологическим анализом. На втором этапе проводится оценка описаний различных систем исследуемого класса и, выбор тех из них, которые в том или ином приближении соответствуют, условиям задачи. Этот этап решения называется морфологическим синтезом, так как в итоге получается целостное описание всей исследуемой системы из частей описания подсистем и отношений между ними. Подходы и методы синтеза вариантов систем в метризованном морфологическом пространстве развиты в работе [34]. В ней также сформулированы и обсуждены аксиомы метрики в морфологическом пространстве, установлена единственность метрики, удовлетворяющая этим аксиомам. Задачи морфологического синтеза отличаются большим разнообразием и классифицируются по различным признакам, характеризующим количество и качество доступной информации. В общем случае задачи морфологического синтеза можно представить следующим набором информации:
В выражении (2.11) приняты следующие обозначения: Т - постановка задачи (t\ - синтезировать и выбрать наилучший вариант системы; h- упорядочить весь набор синтезированных вариантов; 1Ъ-синтезировать и выбрать вариант наиболее близкий по свойствам к заданному заданию (прототипу); /4 - синтезировать и упорядочить весь набор вариантов по степени сходства к заданному объекту); X - множество допустимых альтернатив для реализации функций (обобщенных функциональных подсистем)( Х\ - альтернатива реализует одну функцию из рассматриваемой морфологической таблицы, дг2 - альтернатива реализует более одной функции); R - множество критериев оценки альтернатив и выбора варианта системы (г\ - множество содержит один критерий (скалярный критерий); гг -множество содержит несколько критериев (векторный критерий)); А - множество методов измерения предпочтений альтернатив (а\ -использование номинальной - классификационной шкалы; а2 - использование ранговой шкалы; a$ - использование количественной шкалы; а4 - экспертное оценивание с помощью комментариев; а$ - экспериментальное оценивание); F - отображение множества допустимых альтернатив, реализующих функции, в множество критериальных оценок (отображение X в R может иметь: f\ - детерминированный вид; fa - вероятностный; /j неопределенный); G - система предпочтений решающего элемента (gi - формирование предпочтений одним лицом; g2 формирование предпочтений коллективом); L - способы исследования системы (1\ - исследование целостной системы; 1г - исследование системы по частям); М - методы оценивания вариантов (wi - оценивание варианта в целом после его синтеза из частей; nil - оценивание отдельных подсистем, альтернатив и их сочетаний до начала процедуры синтеза); N - процедуры выбора вариантов (п\ - последовательный перебор всех вариантов по принципу лексикографического упорядочивания; пг последовательный перебор; «з - случайное зондирование морфологического множества; щ - детерминированное зондирование); С - вид целевой функции (с\ - аддитивная; с2 - мультипликативная; с3 - целевая функция на основе мер сходства и различия); Р - число рассматриваемых уровней (р\ - один;р2 - более одного); S - уровень формализации постановки и решения задачи (s\ - не формализованный эвристический подход; s2 - формально-эвристический подход; S3 - полностью формализованный подход); Q - уровень компьютеризации процедур (q\ - отсутствует информационно-программная поддержка процедур метода; qi - часть или все процедуры реализованы в виде диалоговой компьютерной системы; gr3 -метод реализован в виде интеллектуальной системы); D - решающее правило, отражающее систему предпочтений; Любой элемент данного набора может служить классификационным; признаком для задач комбинаторно-морфологического синтеза. Целями морфологического анализа и синтеза технических систем» являются: 1 - системное исследование всех мысленных вариантов решения задачи, вытекающих из закономерностей строения (морфологии) совершенствуемого объекта, что позволяет учесть, кроме известных, необычные варианты, которые при простом переборе могли быть упущены исследователем из вида; 2 - реализация совокупности операций поиска на морфологическом множестве вариантов описания функциональных систем, соответствующих исходным требованиям. Морфологическое множество вариантов описания функциональных систем представляется морфологической таблицей (рис. 2.8). В морфологической таблице цепочкой связанных альтернатив показан один из вариантов рассматриваемой системы. Общее число всевозможных вариантов N, образующих морфологическое множество, определяется как декартово произведение множеств альтернатив образованных каждой строкой морфологической таблицы:
Разработка автоматизированной системы поддержки процедур многокритериального принятия решений
Автоматизированная система поддержки принятия решений (СППР) является средством организации процесса экспертного оценивания и выбора рационального, с точки зрения показателей качества, варианта технического решения (ТР) из множества альтернативных вариантов. Данная автоматизированная система реализует процедуры метода анализа иерархии и может использоваться в различных предметных областях. Процесс функционирования СППР, как средства обработки экспертной информации, можно представить в виде последовательности четырех процедур.
Процедура 1. Предполагает подготовку информации, необходимой для построения обобщенной оценки приоритета альтернативных вариантов ТР. Предполагается, что в первую очередь будет разработана система показателей качества, а затем будет проведено сравнение ТР и оценка весомости показателей экспертным способом.
Процедура 2. Предполагает расчет значений собственного вектора для всех матриц экспертных оценок элементов системы оценки - матриц сравнительной оценки альтернатив относительно показателей нижнего уровня иерархии и матриц сравнительной оценки для показателей, конкретизирующих показатель, относящийся к более высокому уровню иерархии.
Процедура 3. Включает расчет степени приоритета альтернатив на основе вычисленных в процессе реализации второй процедуры векторов приоритетов матриц сравнительных экспертных оценок.
Процедура 4. Ее содержанием является представление информации о приоритете альтернатив, соответствующей их оценкам относительно показателя на высшем уровне иерархии (он определяется на этапе разработки модели как принципиальный критерий качества ТР, цель исследований, которой в той или иной мере соответствуют варианты решений).
В процессе проектирования СППР описанные процедуры получили формализованное развитие в виде алгоритмической модели функционирования автоматизированной системы, построение которой потребовало проведения дополнительного анализа вычислительных операций, предусматриваемых методом принятия решений на иерархии. Приведем рассуждения, отражающие процесс систематизации и формализации подходов к обработке экспертных данных, предусматриваемых этим методом.
Модель оценки альтернативных вариантов решений имеет иерархическую структуру и принципиально определяется включаемыми ею уровнями иерархии, а также связями элементов системы оценки (показателей качества и альтернатив) в пределах одного уровня иерархии и связями с элементами смежных уровней. Если представить все показатели, составляющие систему оценки в виде множества P={PJ, то принцип их организации, соответствующий этой системе, можно отразить множеством H-{Hjk}, где Hjk - номер показателя из множества Р, находящийся на уровнеу, а его порядковый номер в множестве показателей этого уровня - к. Если число иерархических уровней JV/ , то каждому показателю PteP, teH={Hj/J, j=l, Ni -l, можно поставить в соответствие множество подчиненных ему показателей р ={р!}, находящихся на более низком уровне иерархий j+1. Каждый показатель нижнего уровня иерархий Р\еР, leH={HjiJ,j=Ni, связан с альтернативами из множества A={AJ. Каждому показателю Pt может поставлена в соответствие матрица экспертных оценок конкретизирующих его показателей М[\ размерность которой Nsppt х Nsppt, определяется числом подчиненных Pt показателей. Для данной матрицы рассчитывается собственный вектор }Ft={W,pt}, i=l, Nsppt. Значение элемента этого вектора отражает весомость подчиненного показателя, которая будет учитываться в процессе расчета приоритета альтернатив относительно всех показателей системы оценки. Каждому показателю нижнего иерархического уровня р„ iH={Hj/J,j=Ni можно поставить в соответствие матрицу экспертных оценок альтернатив М/1, с которыми связан данный показатель. Для нее также рассчитывается собственный вектор V//1. Значения его элементов отражают приоритет альтернатив относительно данного показателя.
Из вышеизложенного можно заключить, что операция расчета весомости показателей качественно не отличается от процедуры расчета приоритета альтернатив относительно показателей нижнего уровня иерархии. Любой элемент системы оценки - показатель или альтернатива - могут быть определены в рамках этой системы следующими параметрами: номером уровня иерархии, на котором он расположен; порядковым номером в множестве элементов этого уровня; номерами подчиненных элементов на нижнем, смежном с данным уровнем иерархии; матрицей экспертных оценок подчиненных элементов и соответствующим ей собственным вектором.
Метод принятия решений на иерархии предполагает проведение расчетов, этапы которых соответствуют иерархической многоуровневой организации системы оценки; определение приоритета альтернатив ведется относительно всех показателей каждого уровня иерархии, начиная с последнего. Результатом выполнения вычислительных процедур является вектор оценок альтернатив WA4 относительно показателя высшего уровня иерархии Ц (цели выбора). Принцип его расчета может быть представлен следующей формулой:
Исследование факторов снижения функциональных затрат с помощью иерархических систем
Рассмотрим существующий и модифицированный метод исследования факторов снижения затрат по функциям, который основан на том, что ожидаемая экономия за счет мероприятий ФСА определяется как уровнем исходных затрат, так и возможными факторами их снижения. Относительно технических систем машиностроительного профиля наиболее значимыми факторами экономии затрат являются: 1 - повышение технического уровня конструкции; 2 - устранение функционально излишних элементов в конструкции; 3 - повышение обоснованности значений технических параметров на основе технических и организационно-экономических расчетов; 4 - применение прогрессивных техпроцессов, заготовок и материалов; 5 - повышение коэффициента унификации; 6 - улучшение качества компоновки и технологичности сборки; 7 - повышение показателей надежности. Каждый фактор вносит в общую экономию свой вклад, который, приближенно оценивается соответствующим процентом снижения фактических затрат на функцию. Схематично в общем виде функциональные затраты и факторы их снижения для /-ой функции приведены на рис. 3.8, где приняты следующие обозначения: 3d - суммарные приведенные затраты на йю функцию за срок службы, Зіші! - минимально возможный уровень функциональных затрат, Зщ - производственные затраты, 3Э1 - эксплуатационные затраты. К, - капитальные вложения в сфере производства носителя функции; И, - годовые эксплуатационные затраты при осуществлении функции; Л, - норма амортизационных отчислений на реновацию для анализируемого вида изделий; Ен - нормативный коэффициент экономической эффективности капитальных вложений (принимается равным 0,15 ) Для выявления факторов экономии в методе ФСА предполагается использовать экспертов, которые обладают знаниями об альтернативных исполнениях исследуемых функций. Задавая такие вопросы, как «Нельзя ли сложную деталь заменить набором простых или стандартных?» или «Можно ли применить другой принцип действия для данной функции?» и т.п., эксперты мысленно сравнивают существующую техническую реализацию функции с альтернативными решениями и фиксируют ответы в форме «Да» или «Нет».
Далее по положительным ответам определяется количество и состав используемых факторов по каждой функции. Функция с ожидаемой наибольшей экономией затрат определяется по следующему выражению: Эф = Зп 0,01 2 ещ + Зэ 0,01 2 еЭ1 - max, (3.20) где Эф - ожидаемая экономия затрат; Зп и Зэ - затраты на функцию в сфере производства и эксплуатации соответственно; ещ и еэ, - эффект одного і-го фактора, выраженный в процентах снижения затрат в сфере производства и эксплуатации соответственно (определяется экспертно); Недостатком данного метода исследования факторов снижения затрат по функциям является то, что в нем отсутствует подход выбора наиболее эффективной альтернативы из множества возможных реализаций і-го фактора, учитывающий одновременно функциональную эффективность и стоимостные затраты. В связи с этим предлагается лучшие факторы и их альтернативы определять по критерию максимального соотношения уровня технической эффективности к уровню затрат на реализацию функции. Рассмотрим последовательность решения указанной задачи. Прежде всего следует отметить, что критерий эффективности технической системы в целом или отдельного ее элемента является комплексным и включает показатели назначения, надежности, экономичности, патентоспособности и т.п. Поскольку все показатели имеют свои единицы измерения, то при комплексной оценке необходимо использовать безразмерные единицы. Критерий технической эффективности может быть представлен в виде иерархической структуры показателей качества, конкретизирующих обобщенный критерий. В связи с этим для оценки альтернатив факторов по снижению затрат функций целесообразно использовать метод анализа иерархий. После построения иерархической структуры и попарного сравнения альтернатив і - го фактора относительно критериев самого нижнего иерархического уровня осуществляется вычисление интегрального вектора приоритета W-гэ альтернатив по целевому критерию технической эффективности исследуемой системы в целом или отдельного ее элемента. Далее определяются затраты альтернатив факторов по каждой функции.
При этом возможны два способа определения затрат. В соответствии с первым способом определяются относительные затраты, исходя из стоимостей функций, выраженных в денежных единицах (случай, когда на функциональные элементы системы имеется калькуляция). В соответствии со вторым способом определяются приросты затрат путем попарного сравнения функций системы. Этот способ применяется в ситуациях, когда на элементы системы отсутствует калькуляция, например при исследовании принципиально новой систехМЫ.
