Skip to content

Информационно — факторный анализ процесса проектирования технических объектов

Конструирование является лишь частью процесса проектирования ТО, и в ходе конструирования необходимо учитывать особенности всего процесса проектирования. Для формулирования оптимальной и высоко эффективной модели проектируемого ТО, а также для оценки эффективности ТО и самого процесса проектирования необходимо провести факторный анализ этого процесса и целесообразно  представить такой анализ в виде, пригодном для обработки информационными технологиями (ИТ):

— провести сбор сведений о свойствах и характеристиках составных частей процесса,

— составить перечень всех этих частей,

— определить степень и характер взаимосвязей между ними.

Основная трудность при этом заключается в большом количестве составных частей и изначальной неясности их существенности для проекта. Задача выяснения существенности в данном случае является областью приложения информационно – факторного анализа, когда необходимо определить и охарактеризовать понятие, число и природу наиболее значимых и относительно независимых функциональных параметров.

Процесс проектирования выражается через достаточно большое число параметров, многие из которых дублируют друг друга; в то же время некоторые существенные выражено неявно.  Представляется необходимым выразить информационное описание составляющих процесса проектирования в виде информационных характеристик. Отсутствие метода строгой оценки факторного веса для каждой характеристики вынуждает применять качественные методы, которые отработаны в подобных ситуациях в других отраслях.

Приведенный ниже информационно – факторный анализ процесса проектирования заключается в следующем:

А) построение корреляционной матрицы (n x n), отражающей степень взаимосвязи между исходными параметрами  «n».

Б) построение информационно – факторной матрицы (n х m), характеризующей связи между параметрами «n» и их признаками «m», или что собой представляют параметры «n», т.е. проводится проверка правильности выделенных параметров и одновременно даётся четкая их информационная интерпретация.

В) дальнейшая работа с этими двумя матрицами сводится к минимизации, удалением слабо коррелирующих параметров и признаков,  уточнению списка параметров и признаков, дополнение недостающих обязательных для полной корреляции параметров и признаков.

Рассматривая ТО как цель проектирования, с учётом описаний и требований ГОСТ ЕСКД его можно характеризовать следующим:

а) назначение,

б) область функционирования,

в) допустимые условия эксплуатации,

г) основные характеристики и компоненты с их признаками,

д) надёжность и долговечность,

е) работоспособность и ремонтопригодность,

ж) технологичность изготовления,

з) степень унификации и стандартизации,

и) условия транспортирования и хранения,

к) стоимость, исходя из потребности в ТО,

л) себестоимость,

м) безопасность эксплуатации, эргономика и экологичность.

 

Таким образом, имея достаточно полное перечисление всех областей разработки ТО, его изготовления и функционирования, возможна дальнейшая работа по подготовке  использования информационной технологии в проектировании ТО без возможных функционально значимых пропусков.

 

  1. Информационно – факторная классификация процесса проектировании ТО.

1.1.  Основные принципы.

Приведенная ниже информационно – факторная классификация процесса проектирования ТО является результатом предварительного разбора различных вариантов и выбора окончательного, основываясь на следующих принципах:

— наиболее простые описания оказываются и наиболее  адекватными (минимально возможный уровень сложности);

— полнота информационной эффективности (максимум полезного вклада, вносимого параметра или признака, при минимуме потерь);

— соответствие, совпадение каких-либо параметров и их признаков, удовлетворительное с точки зрения целей проекта (целевая адекватность).

1.2. Представляется целесообразным записать окончательную классификацию факторов проектирования в следующем виде (в скобках – принятые сокращения):

А) Тактико – технические характеристики функционирования (ТТХ):

а) техническая эффективность (ТТХэф),

б) энергетичность (ТТХэн),

в) надёжность (ТТХн),

г) долговечность (ТТХд),

д) стоимость (ТТХс).

Б) Нагрузки действующие (Н):

а) внешние (Нвн),

б) внутренние ( Нв-тр).

В) Свойства (С):

а) физико – механические (Сфм),

б) химические (Сх).

Г) Кинематика (К):

а) размеры (Кр),

б) состав (Кс),

в) расположение и связи составных частей (Крс).

Д) Материалоёмкость (М):

а) масса общая (Мо),

б) масса, зависящая от действующих нагрузок (Мн),

в) масса, зависящая только от требований ТЗ без учёта Мн (Мтз).

Е) Технологичность (Т):

а) изготовления (Ти),

б) эксплуатационная (Тэк).

Ж) Отработка (О):

а) экспериментальная технических решений (Оэ),

б) технико – экономическая, расчётная (Ор).

З) Социальность (Сц):

а) экологичность (Сц.э),

б) охрана труда (Сц.от),

в) эргономичность и эстетичность (Сц.ээ).

И) Информированность (И):

а) полная (Ип),

б) на уровне здравого смысла (Изс).

К) Активность конструирования (АК):

а) известные существенные технические решения (АКи),
б) новые технические решения, дающие положительный эффект (АКн).

 

Оценить насколько же достаточна приведенная классификация, очевидно, станет возможным после неоднократного применения в конкретных разработках проектов ТО. Однако, несмотря на это, уже сейчас можно сделать ряд выводов, свидетельствующих о полезности данной классификации, и её действенности:

Во – первых, по 10 классам проверяется весь процесс конструирования ТО на полноту и эффективность исполнения.

Во – вторых, становится возможной разработка формализованной ИТ конструирования, поскольку создана основа для построения других знаковых выражений.

В – третьих, используя приведенную классификацию, становится возможным количественная, комплексная  и объективная оценка качества проектируемого ТО и самого процесса разработки.

 

  1. Смысловое описание факторов проектирования.

Приведенная информационно – факторная классификация процесса проектирования содержит факторы, которые в большинстве своём широко известны, частично их описание приведено в изложенном материале, а некоторые введены вновь. Кроме этого, существующее разнообразие в трактовке технических терминов может привести к неоднозначности понимания, поэтому целесообразно специально выделить смысловое описание факторов проектирования.

Основная задача приводимого описания состоит в том, чтобы раскрыть смысл факторов, который заложен в них при использовании, при этом в основном, используется стандартизованная терминология и не преследуется цель претензии на абсолютность значений смыслового описания факторов.

ТТХэф – техническая эффективность характеризует способность ТО выполнять предписанное ему назначение (полезную функцию) – быть работоспособным.

ТТХэн – энергетичность, определяется видом и количеством энергии,  потребляемой в единицу времени.

ТТХн – надёжность, характеризуется свойством ТО выполнять в эксплуатации заданные функции, сохраняя в заданных пределах значения установленных показателей.

ТТХд – долговечность, показывает возможность ТО сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонтов.

ТТХс – стоимость, включает полную стоимость ТО после изготовления с учётом, при необходимости, расходов на его эксплуатацию.

Нвн – нагрузки, действующие внешние, связанные с воздействие при функционировании ТО в окружающей среде.

Нв-тр – нагрузки, действующие внутренние, появляющиеся от взаимодействия составных частей ТО.

Поскольку свойства конструктивных элементов и связей подразделены на физические, механические и химические, целесообразно иметь, когда в этом есть потребность, и соответствующее разделение нагрузок.

Сфм – свойства физико – механические соответственно охватывают свойства: гравитационные, тепловые, электрические, магнитные, ядерные, прочностные и др.

Сх – свойства химические, к ним относятся: химическое взаимодействие между составляющими частями ТО, коррозия, химическое разложение и т.п.

Кр – размеры играют важную роль в практических условиях функционирования при размещении ТО в условиях эксплуатации.

Крс – т.е. собственно кинематика существенных составных частей в ТО.

Мо – масса общая всего ТО.

Мн – масса, которая конкретно зависит от действующих нагрузок, показывает затраты массы в ТО, предназначенные для обеспечения работоспособности под воздействием нагрузок.

Мтз – масса, зависящая только от требований ТЗ, например, для выполнения специфичного требования заказчика, или для удобства эксплуатации.

Ти – технологичность изготовления, в соответствии  со стандартами ЕСТПП проявляется в следующем:

а) технологическая подготовка производства, заключающаяся в обработке технологами конструкторской документации, разработке технологии изготовления отдельных составных частей и всего ТО, отработке новых технологических процессов и приёмов изготовления,

б) конструкторская разработка технологической оснастки, специального режущего и измерительного инструмента,

в) непосредственное изготовления ТО, начиная с получения исходных материалов, заготовок и заканчивая сборкой ТО,

г) упаковка и хранение ТО заводом изготовителем.

Тэ – технологичность эксплуатационная, что включает: использование по назначению, техническое обслуживание, транспортирование и хранение ТО в эксплуатации, текущие ремонты.

Оэк – экспериментальная отработка конструктивных решений включает в себя исследования, связанные с изучением неясных новых вопросов, эксперименты, направленные на прямое подтверждение работоспособности отдельных элементов и связей, а также всего ТО. В частности, исследованиям подлежат применение новых материалов, их влияние на ТО при длительном хранении или эксплуатации, создание оптимальных исполнений конструктивных элементов  т.п.

Отэ – технико – экономическое обоснование охватывает все моменты конструирования расчётным путём (прочность, тепловая стойкость, кинематическая, энергетическая, производительность, экономическая эффективность и т.п.) по апробированным методикам.

Сц.э – экологичность, характеризует влияние ТО при эксплуатации на окружающую среду.

Сц.от – охрана труда, что в каждой области осуществляется по своим узаконенным  правилам.

Сц.ээ – эргономика и эстетичность, характеризует влияние ТО при эксплуатации на человека.

Ип – информированность относительно полная. Прежде всего, это собственный опыт, получены в процессе работы, учёбы, в общении с другими специалистами, природой и т.п. Большую роль играет в создании новых ТО опыт их разработки в отрасли, который обобщает и концентрирует в себе всю специфику данной отрасли: выполненный объём работ в соответствующем направлении и большое количество отработанных решений, часть из которых может быть аналогична заданному или подтолкнуть к нужному решению. Сюда же относится наиболее объёмная по содержанию и количеству научно – техническая информация (НТИ) из технической литературы и патентных фондов. Причём патентная информация охватывает практически все сферы деятельности человека в весьма точно систематизированном виде, характеризуя мировой уровень развития в узких областях науки и техники.

Изс – информированность на уровне здравого смысла. Разработчики не всегда могут себе позволить из-за временных рамок разработки длительный поиск и осмысление всей имеющейся информации, соответственно, используют прежде всего собственный опыт и НТИ в обозримом объёме, т.е. работают на уровне здравого смысла.

АКи – активность конструирования известная. Под этим фактором понимается оптимальное решение поставленной задачи сочетанием известных технических решений.

АКн – активность конструирования с использованием новых технических решений мирового уровня, т.е. имеются изобретения и новые полезные модели.

 

  1. Критерии проектирования.

В системотехнике [2], во многом схожей с проектированием ТО по сложности и неопределённости исходных данных, большое внимание уделено критериям эффективности, и выработаны основные требования к ним заключающиеся в следующем:

а) должен объективно измерять фактическую эффективность, что в случае проектирования ТО – технико-экономическую эффективность;

б) быть способным однозначно выражаться некоторым числом;

в) быть эффективным в статистическом смысле, т.е. обладать небольшой дисперсией и определяться с достаточной точностью без больших затрат и потерь времени;

г) отражать полноту исследуемой области;

д) простота критерия, как гарантия его надёжного применения;

е) должен отражать степень достижения возможного теоретического предела.

Дополнительно следует отметить, что критерии должны однообразно отражать качественную направленность оцениваемого: увеличиваться с ростом положительного эффекта и уменьшаться со снижением эффекта. Такое свойство различных критериев позволяет не предпринимать сложных выкладок при свёртывании их в комплексный критерий.

Последовательно рассмотрим каждую компонентную область проектирования ТО:

А) Тактико – технические характеристики функционирования (ТТХ).

Оценка функционирования ТО прежде всего заключается в определении соответствия требованиям технического задания (ТЗ) на разработку, однако, по принятому порядку ведения разработок, поскольку проектироемый ТО должен полностью соответствовать требованиям ТЗ, последнее, как правило, корректируется. Поэтому для объективности целесообразно оценивать проектируемый ТО на соответствие функциональным возможностям так называемого идеального конечного результата (ИКР) [1].

 

Таким образом, можно записать:

ТТХэф = Π (ТТХэф.факт  / ТТХэф.икр) (˃0…1); где Π – оператор произведения разных показателей.

ТТХэн = Π (ТТХэн.икр / ТТХэн.факт)  (˃0…1).

ТТХн = ТТХн.факт / ТТХн.икр=1  = ТТХн.факт (˂1).

ТТХд = ТТХд.факт / ТТХд.икр  (˂1).

ТТХс = ТТХс.икр  /ТТХс.факт  (˂1).

 

Б) Нагрузки действующие (Н):

Что касается действующих нагрузок, то однозначно учёт их восприятия для ТО должен быть равен «1», поскольку ТО должен надёжно функционировать в условиях действующих нагрузок. При этом, должны быть учтены действующие

в отрасли коэффициенты требуемых запасов и безопасности.

Кроме этого, следует рассматривать возможность полезного использования действующих нагрузок, как дополнительный источник энергии:

Нп = Н /ТХэн       (0…1).

Г) Свойства (С):

С = (Π Сф / Сф.max   +  Π См /Cм.max  +    Π Сх / Cх.max  ) х  η  (˃0…1), где η – заданный коэффициент запаса.

Г) Кинематика (К):

Используя ИКР, как теоретический предел, можно записать (как вариант):

К =1/2 (ΣКс.икр / ΣКс ΣКрс.икр /  ΣКрс.) х ΠКр.икр / ΠКр    (˃0…1), где Σ – оператор суммы.

Д) Материалоёмкость (М):

Аналогично предыдущему:

М = Мо.икр / Мо    (˃0…1).

Е) Технологичность (Т):

При оптимизации процесса изготовления ТО важно поэлементное его рассмотрение, однако для оценки процесса проектирования ТО важно применить единую комплексную оценку изготовления – полную стоимость изготовления, которая содержит в себе все затраты на изготовление ТО.

В любой отрасли в целях оценки достаточно легко установить среднюю стоимость   массы какого – либо материала в готовом изделии при заданной программе выпуска, используя этот показатель, запишем:

Ти = Σ(СТиi х mi)икр / Σ(СТиi х mi) х К   (˃0…1), где

СТи – стоимость изготовления,

i – i-тое наименование материала,

mi – масса i-го материала.

К сожалению, что касается технологичности эксплуатации, то этот показатель в большинстве случаев должен конкретизироваться Заказчиком, а на стадии проектирования предположительно можно считать, что технологичный ТО в изготовлении априори будет технологичным и в эксплуатации.

Или условно можно записать:

Тэк = Σ(СТэк.i)икр / Σ(СТэк.i) х К   (˃0…1), где СТэк – стоимость эксплуатации.

Ж) Отработка (О):

Данный фактор  «отвечает» за гарантию функционирования ТО посредством экспериментальной и расчётной отработки, более того, материальные затраты при этом должны быть минимальные, но достаточные, в связи с этим их оценивать не целесообразно, или считать: О=1.

З) Социальность (Сц):

ТО по эргономике, охране труда и эстетичности должен соответствовать существующему уровню требований, т.е. чтобы обеспечивалась наименьшая усталость людей и полностью соблюдались требования охраны труда работников. Единственным объективным показателем в данном случае можно считать существующие лабораторные методы обследования и оценки условий труда на каждом рабочем месте при производстве ТО или при его эксплуатации.

Что касается экологичности ТО, возможно как вредное влияние на окружающую среду, так и полезное, в последнем случае – это будет относиться к техническим характеристикам.

Таким образом, оценка социальности подлежит обязательным экспертизам и должна соответствовать действующим требованиям, т.е. можно считать: Сц=1.

И) Информированность (И):

Как только появляется возможность использования информации по здравому смыслу, то объективная оценка данного показателя теряет смысл.

К) Активность конструирования (АК):

Если «разбить» спроектированный ТО на технические решения, то активность конструирования можно выразить следующим соотношением:

АК = ΣАКн / ΣАКн + ΣАКи     (0…1)

Здесь каждый показатель соответствует одному техническому решению.

 

  1. Интегральные оценки (показатели) качества проектируемого ТО и эффективности процесса проектирования.

Рассматривая весь процесс проектирования в целом с точки зрения ценности его отдельных составляющих для собственной комплексной оценки, представляется целесообразным и необходимым, определить:

  • эффективность и качества спроектированного ТО,
  • эффективность процесса проектирования ТО.
    1. В соответствии с ГОСТ 15467-79 «Управление качеством

продукции. Термины и определения» интегральный показатель качества продукции (в нашем случае – ТО) определяется как комплексный показатель, отражающий соотношение суммарного полезного эффекта от использования и суммарных затрат  на создание и эксплуатацию ТО.

Таким показателем является:

КАЧто = ТТХэф х ТТХэн х ТТХн х ТТХд / ТТХс,

а т.к. все эти составляющие разнородны, но вместе с тем обезличены по размерности, то комплексный показатель КАЧто можно считать достаточно объективным. При этом есть ряд неучтённых показателей, которые при необходимости могут введены в формулу КАЧто, в зависимости от их значимости для проектируемого ТО, такие как: Мо, Кр и др.

Показатель КАЧто отражает фактическое состояние качеств ТО и является интегральной оценкой эффективности спроектированного ТО.

Если разрабатывались несколько вариантов ТО, оптимальным следует считать тот вариант, у которого выше показатель КАЧто.

  1. Эффективность процесса проектирования (Эпр) ТО по сути своей должна отражать как экономическую, так и техническую стороны эффективности.

Если технический показатель эффективности фактически и прежде всего есть КАЧто, то для процесса проектирование ещё важна эффективность самого процесса, как технологии, в данном случае — это такой показатель, как АК (активность конструирования). Связаны эти показатели следующим образом:

Эпр = КАЧто х АК,

т.е. если оба показателя стремятся к «1», то и интегральный показатель будет почти равен «1», что вполне закономерно.

 

 

Список литературы:

  1. Альтшуллер Г.С., АРИЗ — значит победа, в Сб.: Правила игры без правил, Петрозаводск, «Карелия», 1989 г.
  2. Гуд Г. Х., Макол Р. Э. Системотехника. Введение в проектирование больших систем. — М., 1962.

 

Февраль 2017 г.