Функционально-стоимостный анализ в сфере проектирования

ФСА на стадии научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (НИОКР). Как отмечалось выше, одним из основополагающих принципов ФСА является коллективное творчество, предполагающее активное участие различных специалистов в творческом поиске и выдвижение идей. Для рациональной организации этого процесса приходится учитывать ряд факторов, в том числе обусловленных условиями логичности. Чаще всего зарождение замысла связано с целенаправленным поиском, ведущимся путем рассуждений, сопоставлений, проб и ошибок.

Резкое усложнение объектов конструирования потребовало принципиально новых методов и средств в процессе создания новой техники.

Объектом новых методов проектирования является не столько проектирование в традиционном его понимании, сколько мыслительная деятельность, предшествующая выполнению чертежей и проектов. Общим для всех этих методов является их направленность на то, чтобы заставить проектировщика, конструктора «думать вслух», привлечь к участию в процессах проектирования многих людей.

Создание и внедрение новых, более эффективных систем машин и технологических процессов, – основа интенсификации производства, высоких темпов технического прогресса. Создание нового объекта должно опираться на непрерывный творческий процесс, состоящий из четырех основных этапов – исследование, конструирование, изготовление и испытание в промышленных условиях со сдачей в эксплуатацию. Конечной целью работ должна быть высокая эффективность и экономичность нового образца.

В течение долгого времени процесс выдвижения новых идей (процесс технического творчества) считался неформализуемым и практически неуправляемым.

Считалось, что новая идея (решение) возникает вдруг, спонтанно и появляется в результате некоего моментального озарения, а следовательно, доступна немногим. Такой подход положен в основу древнейшего метода «проб и ошибок», при котором отсутствуют как правила выдвижения идей, так и обоснования правила их оценки. Однако увеличение темпов развития технического прогресса потребовало большего количества нововведений. На смену искусству поиска технических идей и решений пришла определенная технология поиска, которая включает в себя значительное количество специальных методов.

Обеспечить высокий уровень экономичности объекта средствами проектирования выдвигает необходимость организации работ по выявлению оптимальных показателей разрабатываемых изделий и средств их достижения.

Одним из возможных направлений решения данной задачи является применение функционально-стоимостного анализа технических решений (ТР) при выполнении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (НИОКОР). Рассматривая методологию поиска новых технических решений как технологию, можно представить ее в виде следующих компонентов:

· методы и средства поиска новых технологических решений, опирающихся на логику мышления и логику развития техники;

· методы и средства настройки и регулирования творческой активности, опирающиеся на приемы психологической и физиологической активности умственного труда;

· специальное информационное обеспечение поиска новых технических решений;

· искусство синтеза поисковых стратегий, опирающихся на гармоничное использование всех средств и методов поиска;

· методы и эффективные формы организации и управления поисковой деятельностью.

Существующие методы технического творчества можно укрупненно сгруппировать по следующим признакам: степени систематизации (формализации), т.е. однозначности рекомендуемых мыслительных преобразований; характеру применения (табл. 9.2).

Таблица 9.2

Укрупненная классификация методов поиска технических решений

По характеру применения	По степени формализации
Несистематизирован ные	Систематизиро ванные	Направление поиска (алгоритмический)
Индивидуа льные	Метод проб и ошибок	Морфологичес кий анализ	АРИЗ (алгоритм решения изобретательских задач) ТРИЗ (технические решения изобретательских задач)
Метод аналогий и ассоциаций	Метод Мэттчета	Комплексный метод поиска ТР
Метод контрольных вопросов	Метод Коллера	Метод поискового физического конструирования
Коллектив ные	Мозговой штурм Синектика

По первому признаку можно выделить методы несистематизированного поиска, базирующегося в основном на использовании человеческой интуиции и введении некоторых элементов активизации мышления; систематизированного поиска, эвристические, учитывающие правила и закономерности рационального мышления; комплексные алгоритмические методы комплексного поиска, основанные на строгой систематизации и формализации.

Первая группа ориентирована на случайный поиск, вторая – на определенную систематизацию, третья – на комбинацию различных приемов, объединенных в стабильную процедурную форму.

По второму признаку методы поиска технических решений могут быть классифицированы на индивидуальные и групповые.

Среди индивидуальных методов этой группы выделяют метод ассоциаций и аналогий.

Сущность ассоциативного мышления заключается в том, что наблюдения, впечатления, непосредственно не связанные с обсуждаемым предметом, как бы подсознательно вызывают мысли, перекидывающие мостик между ними и обсуждаемой проблемой и наталкивающие тем самым на новое представление, порой неожиданные идеи. С помощью аналогии, т.е. на основе представления о сходных свойствах, признаках или характеристиках одного объекта, возникают идеи для принятия решений, связанных с другим объектом.

Аналогии и ассоциации, используемые для стимулирования творческого воображения при выдвижении новых идей, могут быть различными. Выделяют несколько видов аналогий: прямая; символическая; личная; фантастическая. При конструировании технических устройств аналогами могут служить структуры и системы живой природы (прямая аналогия). Толчком полезной идеи может служить не только прямая аналогия с элементами живой природы, но и ассоциация с любым символом (рисунок, картинка, число, образ и т.п.) Один символ рождает другой (символическая аналогия).

С помощью такого приема, как эмпатия (личная аналогия), человек мысленно вживается в образ рассматриваемого объекта, т.е. старается как бы отождествлять себя с ним, проанализировать возникающие ощущения.

Мозговой штурм (мозговая атака), как отмечалось ранее, — это способ коллективного генерирования идей на совещании экспертов, которое происходит по специально разработанной схеме и способствует получению большого количества идей за короткий промежуток времени.

Практика показывает, что метод мозгового штурма следует использовать в тех случаях, когда предполагается: получить развернутое представление о том, в каких направлениях может пойти развитие изучаемого объекта науки и техники; получить обширный выбор возможных вариантов решений рассматриваемой проблемы; выявить круг факторов, которые необходимо принимать во внимание при выборе окончательного варианта.

Комбинацией метода аналогий и мозгового штурма, как отмечалось ранее, считается синектика – комплексный метод стимулирования творческой деятельности.

В основе синектики лежит поиск нужного решения за счет преодоления психологической инерции, состоящей в стремлении решить проблему традиционным путем. Синектика позволяет выйти за рамки какого-то конкретного образа мыслей и значительно расширяет диапазон новых решений за счет представления привычного непривычным и, наоборот, непривычного привычным.

При использовании синектики решение проблемы ищет группа специалистов разных профессий, как владеющих синектикой, так и только приступающих к ее овладению. Рекомендуется, чтобы члены синектической группы перед началом работы не знали сути рассматриваемой проблемы, что позволяет абстрагироваться от привычного стереотипа мышления.

Применение морфологического анализа при использовании ФСА. Морфологический анализ — систематизированное исследование различных комбинаций технических решений с целью выявления новых оригинальных идей. В рамках морфологического анализа разработан ряд частных методик, из которых наиболее широкое применение получила так называемая методика морфологических таблиц, позволяющая рассматривать разнообразные комбинации решений.

В совершенствуемой технической системе выделяют несколько характерных для нее морфологических признаков. Каждый признак может характеризовать, например, какой-то конструктивный узел системы, ее свойство, функцию — словом, те параметры системы, от которых зависит решение проблемы.

Далее по каждому морфологическому признаку составляют списки различных вариантов технического исполнения этих признаков. Признаки с их вариантами располагают в форме матрицы (морфологической таблицы), что позволяет лучше представить себе поле поиска. Матрицы могут быть двумерными и трехмерными («ящики»).

Различают морфологические матрицы: общих возможностей (табл. 9.3); структурных решений (табл. 9.4).

Матрица общих возможностей помогает подсказать идею технической концепции разрабатываемого объекта в целом. В работе в качестве примера приводятся данные матрицы транспортных средств и видов транспорта (табл. 9.3) и наименований узлов и видов исполнения (табл. 9.4).

Таблица 9.3

Матрица общих возможностей транспортных средств

Вид энергии	Вид транспорта в городе
автомобиль	поезд	метро	«тротуар»	…
Электрическая	ЭА	ЭП	ЭМ	ЭТ
Магнитная	МА	МП	ММ	МТ
Атомная	АА	АП	АМ	АТ
Солнечная	СА	СП	СМ	СТ
…

* Первая буква аббревиатуры означает вид энергии, а вторая – вид транспорта

Матрица общих возможностей помогает подсказать идею технической концепции разрабатываемого объекта в целом.

Представленная матрица структурных решений (табл. 9.4) позволяет выделить возможный состав разрабатываемого объекта, который при несистематизированном подходе ускользает от внимания.

Одно из возможных решений 1.1→2.4 →10.2→11.3→12.2 выделено в табл. 9.4 связью. Набор знаний (вариантов решений) морфологических признаков из соответствующих строк представляет собой возможный вариант решения проблемы. Матрица структурных решений формирует представление о структуре объекта.

Морфологический анализ применяется для поиска путей решения неожиданных и принципиально новых задач, например, для определения требуемого набора узлов проектируемой машины. При проведении этого вида анализа следует придерживаться следующих принципов: ко всем элементам морфологического исследования должен проявляться равный интерес; до тех пор, пока не получена полная картина всех вариантов структуры исследуемого объекта, нельзя вводить никаких ограничений в решения; эффективное использование морфологических ящиков возможно лишь при максимально точной формулировке поставленной задачи.

Основные этапы морфологического анализа:

· точная формулировка поставленной проблемы;

· определение параметров, от которых зависит решение проблемы;

· деление параметров на их значения и представление их в виде набора матриц;

· формирование вариантов путем комбинаций – по одному элементу из каждой строки;

· проверка всех имеющихся в морфологической карте вариантов на совместимость элементов и отброс нулевых вариантов;

· выбор из морфологической карты наилучшего варианта решения проблемы.

Морфологическая матрица может отражать как параметры структуры объекта, так и функции его элементов.

При определении последовательности работ ФСА следует учитывать, что разработка изделия обычно начинается с поиска и обоснования выбора лучшего варианта, для чего используется обширная информация. Поэтому первый этап ФСА серийного

Таблица 9.4

Матрица структурных решений

Индекс признака	Морфологический признак	Вид исполнения
				…n
	Двигатель (привод)	Электричес- кий	Ядерный	Химический
	Движитель	колесный	Гусениный	Шагаю-щий	Прыгающий	Реактивный
…	…	…	…	…	…	…
	Кабина	Гермети-ческая	Негерме-тическая	нет
	Источник энергии	Жидкое топливо	Твердое топливо	Солнечные батареи
	Блок управления	Автономный	Дистан-ционный	Комбини-рованный
…	…	…	…	…	…	…
m
		Вариант решений

производства (информационный) на стадии НИОКР может быть опущен и включены: творческий, аналитический и рекомендательный.

Творческий этап включает выбор, анализ и оценку технико-экономических характеристик отечественных и зарубежных аналогов изделия, поиск вариантов конструкторско-технических параметров, наиболее экономично реализующих функций изделия. При решении задач творческого этапа применяются методы коллективной экспертизы, коллективного обсуждения.

На аналитическом этапе отыскиваются исходные данные и уточняются значения для расчета верхнего предела цены (потребительной стоимости) изготовления и затрат на подготовку производства по каждому варианту изделий, определяются расчетные значения критерий эффективности ФСА.

На рекомендательном этапе формируется основная функция изделия, выбирается лучший вариант его конструкторско-технологических и экономических параметров, фиксируется величина критерия ФСА.

С точки зрения новизны изделий можно выделить пять классов.

Изделия первого класса представляют собой воспроизведение существующих, т.е. установившихся в конструктивном отношении изделий.

Второй класс изделий с точки зрения новизны представляет собой модификацию существующих моделей. Объем НИР, как правило, незначителен, проводится по узкому спектру проблем.

Третий класс изделий характеризуется преобладанием опытно-конструкторских работ с некоторым объемом прикладных поисковых исследований.

К четвертому классу относят объекты, создаваемые частично на принципиально новой базе, что требует поиска соответствующих им технических и экономических решений.

К пятому классу относятся уникальные изделия, изготовленные, как правило, в единичном исполнении.

Возможность получения положительных результатов здесь весьма неопределенна. Это связано с появлением принципиально новых функций, исследование которых требует фундаментальных исследований в связи с отсутствием аналогов.

Независимо от того, какой класс новизны характерен для данного комплекса НИОКР, цель ФСА состоит в минимизации затрат на единицу потребительной стоимости. Принципиальное значение ФСА в системе НИОКР состоит в том, что на основе оптимизации решений он позволяет обеспечить более высокую категорию новизны.

Применение алгоритмических методов при использовании ФСА. В практике ФСА все большее признание получают, в отличие от мозговой атаки (несистематического поиска), морфологического анализа, так называемые рациональные, формализованные алгоритмические методы.

Общим для этих методов является наличие определенных правил, алгоритмов, приемов решения задач. Промежуточное положение между этими группами задач занимает метод проектирования Мэттчела, метод конструирования Коллера.

Научить проектировщика понимать и контролировать свой образ мыслей и более точно соотносить его со всеми аспектами проектной ситуации является основной целью метода Мэттчела. Для этого он предложил следующие приемы:

· применение «режимов мышления» (мышление в параллельных плоскостях, стратегическими схемами, с нескольких точек зрения, образами, в основных элементах);

· подавление критических способностей для выявления творческой фантазии;

· разработка языка, дающего возможность «мыслить» о мышлении;

· самоконтроль и самонастройка на отдельных этапах процесса проектирования.

Делая основной упор на личный опыт, интуицию и мыслительные способности проектировщика, фундаментальный метод проектирования не предусматривает проведение надежных исследований и испытаний для уменьшения неопределенности.

Метод конструирования Р. Коллера. В его основе лежит функциональный подход, который предполагает прежде всего полное абстрагирование от реальной конструкции анализируемого изделия и концентрацию внимания на функциях, которые это изделие должно выполнять.

Постановка задачи включает описание цели, условий и ограничений. Первым шагом на пути постановки задачи к конкретному решению является формулировка общей функции системы, подлежащей разработке. Под формулировкой общей функции понимается установление свойств и состояний входных и выходных величин в соответствии с заданной целью и учётом ограничивающих условий.

Входные и выходные параметры системы представляют собой функцию цели, которую необходимо достичь.

Важной особенностью метода Коллера является последующее расчленение выделенной структуры подфункций на отдельные элементарные функции. Каждая элементарная функция характеризуется, кроме выполняемой операции, ещё и преобразующей величиной. Если же отвлечься от параметра на входе и параметра на выходе, то остаётся чистая операция (подобно математической), или, по определению Коллера, основная операция. Таким образом, всё функциональное многообразие технических систем сводится к 12 основным операциям. Каждая операция имеет два значения: прямое и обратное.

Среди них: излучение – поглощение; проводимость – изолирование; сбор – рассеяние; проведение – непроведение; преобразование – обратное преобразование; увеличение – уменьшение; изменение направления; выравнивание – колебание; связь – прерывание; соединение – разъединение; сборка – разделение; накопление – выдача.

В дополнение к этим основным операциям используются известные алгебраические (сложение, вычитание, умножение, деление, возведение в степень, извлечение корня, отыскание логарифма, интегрирование, дифференцирование) и логические (и, или, не) операции.

В общем случае для реализации требуемой функции можно предположить несколько комбинаций элементарных функций, из которых выбираются затем лучшие в соответствии с заданными критериями.

После разработки структуры элементарных функций осуществляется фаза конструирования, включающая выбор физических эффектов и их носителей, реализующих отдельные основные операции. Этот выбор осуществляется с помощью разработанного Коллером указателя физических эффектов и явлений, представляющих собой систематизированный подбор физических эффектов для отдельных основных операций.

Таким образом, предложенная Коллером последовательность операций позволяет методически, с помощью правил, перейти от постановки задачи к принципиальному решению.

Направленный поиск решения технических задач в большей мере может быть реализован с помощью алгоритмов и теории решения изобретательских задач (АРИЗ, ТРИЗ), разработанных Г.С. Альтшуллером. Этот метод может рассматриваться как систематизированная технология творчества, при которой процесс мышления не хаотичен, а организованно и четко управляем.

Центральным звеном в упорядоченной последовательности алгоритма служит выявление технического противоречия и его устранения. Под техническим противоречием понимается ситуация, возникающая в технической системе, при которой одному и тому же объекту предъявляются взаимоисключающие технические требования.

Схема алгоритма решения алгоритма решения изобретательских задач (АРИЗ) представлена на рис. 9.1.

Для поиска новых технических решений инженерных задач применяются специальные приемы преодоления психологической инерции, возникающей при решении технических задач. Таким приемом, например, может быть теория решения изобретательных задач (ТРИЗ), этот прием характеризует, в том числе построение и анализ модели с формулировкой идеального конечного противоречия (ТП) и физического противоречия (ФП).

Успех решения задачи во многом зависит от правильности ее формулировки, определения вида конфликта и составления полной схемы. В большинстве случаев для получения ответа на так называемые стандартные задачи можно весьма эффективно применять для устранения технических противоречий стандартные решения – комплекс специальных приемов и таблиц.

Для перехода к техническому решению эффективно используются характерные физические эффекты и явления.

Процесс решения изобретательских задач разделен на отдельные операции, которые выполняются последовательно. Решение задачи идет по четкой программе. Зона поиска методически снижается: от технической системы – к паре конструктивных элементов, затем к одному элементу, который предстоит изменить, и, наконец, к «больной» зоне этого элемента – того участка, где «кроется» физическое противоречие.

Так же методично ведется определение изменений, которым надо подвергнуть выделенную зону, чтобы решить задачу. Сначала формируется идеальное решение без учета того, возможно ли его достичь и как именно. Затем совершается переход к реальному решению, но еще очень общему.

Далее следует физическое решение, уточняющее, какие именно вещества и поля должны быть использованы. И только после этого формируется техническое решение, переводящее физическую идею изобретения в конкретную техническую систему.

На заключительных этапах алгоритма решение подвергается тщательной проверке, причем прежде всего исследуют соответствие между полученным ответом и НКР. Далее изучается возможность распространения изменений одной части системы на всю систему и даже надсистему. Затем реальный ход решения задачи сравнивается с теоретическим и с целью дальнейшего совершенствования алгоритма. Своеобразным обобщением ряда перечисленных методов, объединенных эвристическим алгоритмом, является комплексный метод поиска новых технических решений, а также поисковое физическое конструирование (автоматизированный вариант). Этот метод представляет собой систему предписаний и массивов информации, объединенных эвристическими алгоритмами.

В заключение необходимо отметить, что при проведении НИОКР следует прежде всего стремиться к тому, чтобы конструирование каждого элемента проектируемого объекта соответствовала своему функциональному назначению, а также требованиям эстетичности и эргономичности при минимальных затратах по выбранному критерию.

Рис. 9.1. Структура АРИЗ

Новый общий принцип

Рекомендация для разработки ТРТС

Часть 9 Анализ хода решения

Дата добавления: 2014-12-10