CC BY
468
УДК 623.003.3 Дата подачи статьи: 20.02.2014
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОЦЕНКИ СТОИМОСТИ ОСНОВНЫХ ЭТАПОВ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА КОРАБЛЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИСТЕМ ИНФОРМАЦИОННОЙ ПОДДЕРЖКИ
О.В. Третьяков, к.т.н., доцент (Научно-исследовательский институт кораблестроения и вооружения ВМФ ВУНЦ ВМФ «Военно-морская академия», ул. Чапаева, 30, г. Санкт-Петербург, 190013, Россия, иыпс-ит/-3]г1@тИ.ги}
При создании кораблей важнейшую роль играет процесс программирования эксплуатации, поскольку именно для этого этапа проводятся все мероприятия на этапах проектирования и строительства. Вместе с проектированием будущих процессов эксплуатации формируется их стоимость и в бюджете планируются различные виды ресурсов. Ошибки в прогнозировании ресурсов впоследствии могут привести к нехватке средств на поддержание корабля в заданной степени готовности и к снижению боевого потенциала флота. Традиционные методики расчета стоимости отдельных этапов жизненного цикла корабля основаны на статистических зависимостях. Такой подход требует периодического обновления методик, корректировки данных по результатам создания и эксплуатации кораблей, что не всегда возможно, особенно при отсутствии опыта эксплуатации новых кораблей. Кроме того, оценить с допустимой погрешностью влияние принимаемых при создании корабля инновационных решений на стоимость его эксплуатации с помощью таких методик весьма затруднительно. В настоящей статье описана математическая модель оценки стоимости жизненного цикла корабля, разработанная на основе применения метода функционально-стоимостного анализа. Предлагаемый подход позволяет не только оценить стоимость корабля через стоимость решаемых им задач, но и выявить наиболее узкие места при принятии проектных решений. Модель и построенную на ее основе методику предлагается использовать при создании системы информационной поддержки жизненного цикла корабля. Особенностью предлагаемого подхода к оценке стоимости является также то, что структурно-функциональная модель корабля, являющаяся информационной основой для расчетов, строится на базе его общей электронной модели.
Ключевые слова: система информационной поддержки процессов жизненного цикла корабля, электронная модель корабля, функционально-стоимостный анализ, стоимость жизненного цикла, структурно-функциональная модель корабля, относительная важность функции, риск.
MATHEMATICAL MODEL FOR SHIP LIFE CYCLE MILESTONES COST ASSESSMENT THROUGH
INFORMATION SUPPORT SYSTEMS
Tretyakov O. V., Ph.D. (Engineering), Associate Professor (Russian Naval Research Institute for Shipbuilding and Armaments, Military Education and Research Centre of the Russian Naval Academy, Chapaeva St. 30, St. Petersburg, 190013, Russian Federation, [email protected])
Received 20.02.2014
Аbstract. The programming stage plays the most significant role in ship design and construction because the whole range of activities at design and construction stages is carried out for this stage exactly. In conjunction with future operational processes design, their cost is defined, and different kinds of resources are planned in the budget. Mistakes in resource forecasting may lead to funding shortages, failures to support ship readiness at a certain level and decrease the Navy operational potential. Conventional techniques for cost evaluation of separate stages of the ship life cycle are based on statistic relations. Such an approach requires regular technique and data updates according to ship design and operation findings. It is not always possible, especially when new ships operation experience is absent. Furthermore, it is quite challenging to assess (with acceptable error) the impact of ground-breaking decisions taken during ship design and construction on its operational cost using such techniques. The article describes a mathematical model of ship life cycle cost assessment based on activity-based costing analysis. The proposed approach not only enables to assess the ship cost based on the tasks cost, but also reveal the most vulnerable points in making design decisions. The model and its technique are designed for developing the ship life cycle information support system. The ship's structural and functional model is an information resource for calculations. And this model is based on the ship general digital model. This is one of the peculiarities of the said approach for cost assessment.
Keywords: : ship life cycle information support system, ship digital model, activity-based costing, life cycle cost, ship structural and functional model, relative function criticality, risk.
Применение информационных технологий на различных этапах жизненного цикла корабля и определение стоимости его жизненного цикла как независимой переменной в структуре показателей военно-экономической эффективности корабля предоставляют новые возможности для расчетов, однако накладывают ряд ограничений и требований к построению алгоритмов и правил таких расчетов.
Одна из главных целей расчета стоимости жизненного цикла корабля - сокращение или кон-
троль стоимости на основе оценки последствий принимаемых проектных (технических, конструктивных, организационных, архитектурных и пр.) решений. Цель информационной поддержки процесса определения стоимости - обеспечение ЛПР достоверной и достаточной информацией, являющейся в одних случаях исходной для прогнозирования, а в других результатом прогнозных расчетов.
Основная сложность получения достоверных прогнозных оценок стоимости различных этапов
жизненного цикла корабля для достижения данных целей обусловлена следующими факторами:
- сложность определения ожидаемых затрат на создание корабля и комплектующих изделий с высокой степенью новизны (по которым ведутся опытно-конструкторские работы);
- многомерность и сложность взаимосвязей составных частей и комплектующих изделий корабля;
- наличие множества возможных вариантов технических решений на каждом этапе создания корабля;
- внесение в процессе создания корабля и уникальных комплектующих его изделий многочисленных конструктивных и технологических изменений, приводящих к отклонениям прогнозных оценок и реальных значений технико-экономических показателей от запланированных показателей.
Как известно, методики расчета стоимости отдельных этапов жизненного цикла корабля, применяемые в кораблестроении, используют в своей основе статистические зависимости и требуют периодического пересмотра и уточнения, поскольку основаны на ретроспективных данных (регрессионных зависимостях).
Это обстоятельство не позволяет учитывать в расчетах применяемые технологические инновации (нетрадиционные решения), которые обязательно влекут за собой изменение (относительно имеющегося опыта) отдельных статей в структуре стоимости, но всегда направлены на снижение затрат - или отдельных статей и стадий, или жизненного цикла в целом [1]. Безусловно, в рассматриваемом контексте существующие методики имеют значительные ограничения для своего применения, особенно в автоматизированных процедурах расчета, основанных на фактических, а не среднестатистических данных и учитывающих индивидуальную структуру затрат для каждого компонента корабля.
Систематическое накопление в системе информационной поддержки жизненного цикла корабля фактических данных о показателях затрат по видам работ, исполнителям и отдельным, наиболее значимым технологическим инновациям позволит более точно прогнозировать технико-экономические показатели создаваемых кораблей и своевременно принимать обоснованные решения. Более того, необходимо изменить сам процесс расчета стоимости, сделать его непрерывным и интегрированным по всем стадиям жизненного цикла с использованием различных методов, чтобы превратить расчеты из технико-экономических обоснований цены в расчеты, подтверждающие то, что предприняты все необходимые шаги для сокращения затрат по жизненному циклу и достижения заданной эффективности или получена большая эффективность при тех же затратах.
В соответствии с приведенной логикой расчет стоимости жизненного цикла в данном исследовании рассматривается не только в качестве единовременной задачи, решаемой при завершении каждой стадии жизненного цикла корабля, как это происходит в настоящее время, - он должен осуществляться в рамках текущей деятельности на протяжении всего процесса принятия решений, чтобы оценить все изменения в проекте и максимально возможно снизить затраты.
Важность применения такого подхода иллюстрируется рисунком 1, на котором показана зависимость стоимости проектных, конструкторско-технологических, организационных и других изменений в процессе жизненного цикла корабля от стадии принятия решений.
Вычисления истинных значений стоимости жизненного цикла корабля в соответствии с подходом, заложенным в существующих расчетных методиках, требуют больших объемов информации и, возможно, в конце концов дадут результат, близкий к реальному. Однако такие прогнозы не позволят выявить причину повышения или снижения стоимости жизненного цикла и, самое главное, провести мероприятия по своевременной выработке корректирующего решения.
Таким образом, в процессе информационной поддержки жизненного цикла корабля более важным будет не столько расчет стоимости жизненного цикла, который в практическом плане, особенно на начальных этапах, вряд ли можно произвести с достаточной точностью, сколько анализ структуры затрат различных этапов жизненного цикла и построение на основе результатов этого анализа нового процесса принятия решений.
Поставленным целям непрерывного контроля стоимости жизненного цикла корабля более всего отвечает метод функционально-стоимостного анализа [2].
)S S X ф Стоимость
CL Потенциал изменений
X S X, ф У S X ж ф J3 о s сбережения
S о
Разработка Развитие Проектирование Строительство и
концепции технологий эксплуатация
корабля
Стадии жизненного цикла корабля
Рис. 1. Влияние стадии принятия технических
решений на стоимость жизненного цикла корабля
Fig. 1. The impact of ground-breaking decisions stage
on the ship life cycle cost
Общепризнанными авторами основ функционально-стоимостного анализа являются Ю.М. Соболев и Л.Д. Майлс. Примерно в те же годы, когда Ю.М. Соболев создавал свой метод поэлементной отработки конструкции, аналогичные исследования проводил инженер Л.Д. Майлс, сотрудник отдела снабжения американской электротехнической компании «General Electric» [3].
Суть метода заключается в выявлении затрат (трудоемкости, расхода материалов, энергии и т.д.), не обеспечивающих качество корабля и комплектующих его изделий, а также другие требования заказчика. Для этого строят дерево функций и определяют, какие составные части корабля выполняют эти функции. Функции, не влияющие на основное предназначение корабля и его функциональных подсистем, исключают. Для функций с чрезмерными затратами на реализацию и поддержание в готовности элементов, выполняющих эти функции, проводят анализ альтернативных решений и выбирают оптимальное [4, 5].
Базовую концепцию стоимости в методологии функционально-стоимостного анализа определяет тесная связь между требованиями потребителя, качеством исполнения функций, отвечающим этим требованиям, и затратами [6, 7] (рис. 2). В настоящее время также широко распространены методики, основанные на методологии функцио-
нально-стоимостного анализа (предложенной Майлсом) и являющиеся его своеобразным развитием. Наиболее распространены FAST (Function Analysis System Technique) - методика системного анализа функций (применяется в минобороны США) и методика QFD (Quality Function Deployment - развертывание (структурирование) функции качества), разработанная в Японии в 1960-х и также используемая американской промышленностью с конца 1980-х годов.
Математическая модель функционально-стоимостного анализа может быть представлена следующим образом:
Сжц = IF ^ Cmn, Е > Еэд , (1)
1=1
где C, - затраты на реализацию i-й функции; тф -количество функций; E - комплексный показатель качества корабля.
Электронная модель корабля представляет собой иерархическую многоуровневую модель в виде связного ориентированного графа без циклов [8]. На нижнем уровне иерархии лежат элементы -комплектующие корабль изделия, объединяемые физическими связями (механическими передачами, кабельными трассами, трубопроводами и т.д.). Каждый физический элемент или совокупность элементов этой модели выполняют строго опреде-
Анализ требований
Анализ функций
Достижение баланса в процессе системного проектирования
Анализ системы
Как? Проектные решения
Как? Стоимость проектных решений
Матрица анализа проектных решений
Рис. 2. Сущность функционально-стоимостного анализа Fig. 2. The essence of a value analysis
ленные функции как самостоятельно, так и в составе установок, функциональных систем и комплексов.
На рисунке 3 условно показана структурно-функциональная модель корабля как объекта функционально-стоимостного анализа. Из рисунка можно видеть, что стоимость функциональных элементов, образующих составные части корабля, его системы и комплексы, складывается из стоимости их проектирования, изготовления, стоимости выполнения функции (предназначения) и при комплексном рассмотрении жизненного цикла -стоимости восстановления работоспособности (боеспособности) элементов на различных этапах жизненного цикла корабля.
В настоящей работе предлагается каждому элементу структуры электронной модели корабля ставить в соответствие как функциональные характеристики элементов, так и стоимостные. Тогда, исходя из имеющейся в электронной модели информации (существенно зависящей от стадии жизненного цикла), можно разработать программно-методические комплексы, автоматизирующие расчет стоимости жизненного цикла на различных его стадиях.
Многоуровневая иерархическая структура корабля в электронной модели может быть представлена в виде множества £ на прямом произведении подмножеств [9]:
£ х£2Х ... Х£Х... хЗ^®. (2)
Предполагается, что
С*(ы+
SJk
е Sм, j = 1, NS, k = 1,MS.
( 7 •J 7 7 7 (
(3)
где N5" - количество уровней иерархии электронной модели корабля; £|ы) - подмножество элементов структуры электронной модели корабля на и-м уровне иерархии; ' -у-й элемент структуры электронной модели корабля (и+1)-го уровня, подчиненный элементу из подмножества N5; MSj -
количество элементов подмножества о \ '.
Для расчета стоимости вновь создаваемого корабельного оборудования можно воспользоваться подходом, построенным на использовании информации о кораблях-аналогах или аналогах комплектующих изделий.
Для систем-аналогов при известных нормативах трудоемкости и стоимости единицы трудоемкости расчетные оценки собственных затрат на проектирование элементов корабля вычисляются по формуле
Си =а j' CJ
'W
t..
(4)
где а,- - коэффициент, учитывающий степень новизны у-го элемента структуры электронной модели корабля; С^ - стоимость единицы трудоемкости у-го элемента аналога; ^ - трудоемкость проектирования у-го элемента структуры электронной модели корабля.
ударного оружия
Комплекс ПВО
fl03
Комплекс ПЛО
Уровень 0
1104
Системы и комплексы РЭВ
f 1 06 Корпус
Уровень 1
f 107
Экипаж
Уровень 2
Нижний уровень иерархии
Рис. 3. Структурно-функциональная модель корабля как объекта функционально-стоимостного анализа: ГАК - гидроакустический комплекс, ГЭУ- главная энергетическая установка, ЗАК - зенитный артиллерийский комплекс, ЗРАК - зенитный ракетно-артиллерийский комплекс, ЗРК - зенитный ракетный комплекс, ПВО - противовоздушная оборона, ПКР - противокорабельная ракета, ПЛО - противолодочная оборона, РБУ - реактивная бомбовая установка, РЛС - радиолокационная станция, РЭБ - радиоэлектронная борьба, РЭВ - радиоэлектронное вооружение, ЭЭС - электроэнергетическая система
Fig. 3. A structure-functional ship model as the object of a value analysis
101
Комплекс
'10b
Технические
102
В работе [10] показано, что стоимость создания корабля - это функция от его водоизмещения:
C=kD, (5)
где D - полное водоизмещение корабля; k - расчетный статистический коэффициент.
В этом случае вполне правомерно рассчитывать стоимость изготовления элементов структуры корабля через их массу.
Тогда стоимость изготовления у-го элемента структуры корабля определяется на основе известных для систем-аналогов нормативов массы и стоимости единицы массы. Эту зависимость можно представить в виде
с2, =р, • с
'(т)
т,.
(6)
Г j "V
где в/ - коэффициент, учитывающий степень новизны технологии изготовления '-го элемента
структуры корабля; С|т) - удельная стоимость изготовления '-го элемента аналога на единицу массы; Ж/ - масса у-го элемента структуры корабля.
Источником необходимых данных для определения расчетных оценок затрат на стадиях проектирования корабля и его элементов, изготовления элементов структуры корабля и его строительства могут быть предпроектные проработки или данные кораблей-прототипов из их электронных моделей.
В случае, когда нормативы трудоемкости распределены по видам работ, затраты на создание элементов структуры корабля вычисляются по формуле как сумма затрат по каждому виду работ:
(7)
где С \1 - стоимость единицы трудоемкости у-го
элемента структуры корабля ^го вида работ; / -трудоемкость выполнения k-й работы у'-го элемента структуры корабля; М/ - количество видов работ по '-му элементу структуры корабля.
При отсутствии для создаваемого корабля данных по нормативам трудоемкости и массы расчетные оценки затрат на проектирование и изготовление могут определяться методом экспертных оценок. Для систем и комплексов, находящихся на высших уровнях иерархии по отношению к уровню комплектующих изделий, расчетные оценки затрат на проектирование и изготовление у'-го элемента структуры корабля, соответствующего функциональной системе или функциональному комплексу, то есть элементу и-го уровня иерархии, можно определить как сумму затрат элементов структуры корабля (и+1)-го уровня иерархии, подчиненных у-му элементу, по следующей формуле:
С"1=с/. + Aj 2с<и+1),
(8)
где и - уровень иерархии, на котором расположен у-й элемент структуры корабля; С1/■ - дополни-
тельные затраты, связанные с объединением элементов в систему (комплекс) (и+1)-го уровня; А/ -коэффициент, учитывающий стадию разработки
у-го элемента структуры корабля; - затраты
на создание ^го элемента (и+1)-го уровня иерархии, предшествующего у-му элементу структуры корабля; М/ - количество элементов структуры корабля, находящихся с у-м элементом в отношении предшествования.
Таким образом, для каждой функции корабля, обеспечивающей его деятельность и выполнение задач в соответствии с предназначением, вычисляется себестоимость С,с ее создания по вышеприведенным формулам.
Следует отметить, что на каждом уровне иерархии с целью определения фактического вклада каждой /-й функции и-го уровня в выполнение /-й функции (и+1)-го уровня, как правило, производят
ранжирование функций по значимости т(ы"+1) при
условии
( и+1) . Г\ ^ (и+1) л
т( ) > 0, >т( ) = 1.
Ш ' ¿—I 1и
(9)
где жи - число функций и-го уровня, обеспечивающих выполнение /-й функции (и+1)-го уровня.
Относительная важность функции, то есть ее вклад в выполнение главной (для корабля или для функциональной системы или комплекса), определяется по вертикальной цепочке уровней как произведение значимостей:
Я = Пт
(и+1)
(10)
где N5" - количество уровней иерархии электронной модели корабля.
Поскольку, как правило, каждый у-й элемент структуры корабля участвует в выполнении нескольких функций, аналогично определяется его вклад у,/ в выполнение /-й функции, также в долях единицы.
Тогда затраты на функцию (ее себестоимость) будут определяться следующим образом:
с* = ¡с -1ц
(11)
1=1
где С/с - стоимость у-го элемента структуры корабля (определяется по формулам (5), (7-9); Р -количество элементов структуры корабля, реализующих /-ю функцию.
В случае, если для выполнения функции в процессе эксплуатации требуются ресурсы, они аналогичным образом учитываются при прогнозировании общей стоимости создания и выполнения функции (в конечном счете - стоимости создания и эксплуатации корабля).
Удельные затраты на /-ю функцию у-го элемента структуры корабля определяются соотношением
С
С = 'с
отну = с .
(12)
1=1
и=1
С учетом значимости можно определить относительный вклад i-й функции в стоимость корабля и его жизненного цикла. Выявление малозначимых функций с большой относительной стоимостью влечет за собой выработку корректирующего воздействия и изменение проектно-конструктор-ских и организационных решений с целью сокращения стоимости жизненного цикла корабля. На рисунке 4 проиллюстрирован процесс выявления таких функций. Из рисунка видно, что функция с низкой значимостью (/212) выделяется по стоимости на фоне других, а следовательно, требует дополнительных исследований и принятия альтернативных решений.
Предложенный в настоящей работе подход прогнозирования стоимости жизненного цикла корабля основан на использовании функционально-стоимостного анализа и является развитием подходов, изложенных в [11]. Методические рекомендации, данные автором, могут быть расширены в рамках отдельных исследований, например, в направлении реализации в процессе прогнозирования стоимости метода освоенного объема, позволяющего учитывать динамику расхода ресурсов (финансовых, людских и т.д.) и отслеживать временные и стоимостные характеристики процессов восстановления технической готовности корабля.
Литература
1. Афонин И.В. Инновационный менеджмент. М.: Гарда-рики, 2005.
2. Куфарев В.О., Третьяков О.В. Метод функционально-стоимостного анализа как элемент системы управления жиз-
ненным циклом кораблей // ВОКОР-2013: сб. тр. конф. СПб: 1 ЦНИИ МО РФ, 2013.
3. Шатунова Г.А., Кузьмина О.Н. Историко-логический генезис и периодизация этапов развития функционально-стоимостного анализа // Вестн. Самарского гос. эконом. ун-та. 2012. № 4 (90). С. 91-96.
4. Половинкин А.И. Основы инженерного творчества. М.: Машиностроение, 1988.
5. Савченко Н.Н. Технико-экономический анализ проектных решений. М.: Экзамен, 2002.
6. Высоковская Е., Кузьмин А. Понятие стоимости в контексте функционально-стоимостного анализа. URL: http://www.metodolog.ru (дата обращения: 03.02.2014).
7. Выдержка из методических указаний «Развертывание функции качества (QFD)», 2009. URL: http://www.new-quality.ru/lib/QFD_extract.pdf (дата обращения: 03.02.2014).
8. Архипов А.В., Третьяков О.В. Электронная модель корабля - новые перспективы для Военно-морского флота России // М0РИНТЕХ-2003: матер. конф. СПб, 2003.
9. Месарович М., Мако Д., Такахара И. Теория иерархических многоуровневых систем. М.: Мир, 1973.
10. Худяков Л.Ю. Исследовательское проектирование кораблей. Л.: Судостроение, 1980.
11. Ершов Ю.В., Примак А.Г., Покрыщук П.И., Стольников В.М., Цикунов И.К., Яковлева В.С. Прогнозирование экономических показателей многоуровневых технических систем с учетом динамики расхода ресурса. Препр. 88-2. К.: Ин-т кибернетики им. В.М. Глушкова АН УССР, 1988.
References
1. Afonin I.V. Innovatsionny menedzhment [Innovative management]. Moscow, Gardariki Publ., 2005, 224 p.
2. Kufarev V.O., Tretyakov O.V. The metod of a value analysis as an element of ship life cycle management system. Sbornik trudov konf. "VOKOR-2012" [Proc. of "V0K0R-2013" conf.]. St. Petersburg, 1 Central Scientific-Research Institute of the Ministry of Defense of the Russian Federation Publ., 2013.
3. Shatunova G.A., Kuzmina O.N. A history and logical genesis and periodization of value analysis development stages. Vestnik Samarskogo gos. ekonomicheskogo univ. [Vestnik of Samara State Univ. of Economics]. Samara, 2012, no. 4 (90), pp. 91-96 (in Russ.).
4. Polovinkin A.I. Osnovy inzhenernogo tvorchestva [The basics of engineering creation]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1988, 361 p.
5. Savchenko N.N. Tekhniko-ekonomicheskiy analiz proekt-nykh resheniy [Technical and economical analysis of design decisions]. Moscow, Ekzamen Publ., 2002, 128 p.
6. Vysokovskaya E., Kuzmin A. Ponyatie stoimosti v kon-tekste funktsionalno-stoimostnogo analiza [The concept of value in the context of value analysis]. Available at: http://www.meto-dolog.ru (accessed Feb. 3, 2014).
7. Vyderzhka iz metodicheskikh ukazaniy "Razvertyvanie funktsii kachestva (QFD)"' [Extract from guidelines "quality function deployment (QFD)"]. 2009, "Novoe kachestvo" Publ. Available at: http://www.new-quality.ru/lib/QFD_extract.pdf (accessed Feb. 3, 2014).
8. Arhipov A.V., Tretyakov O.V. The ship elektronic model. New prospects for the Russian Navy. Materialy konf. Morintekh-2003 [Proc. of Morintech-2003]. St. Petersburg, 2003.
9. Mesarovich M., Mako D., Takahara I. Teoriya ierarhi-cheskikh mnogourovnevykh system [The theory of hierarchical multi-level systems]. Russ ed.: Moscow, Mir Publ., 1973, 344 p.
10. Hudyakov L.Yu. Issledovatelskoe proektirovanie korabley [Research design of the ships]. Leningrad, Sudostroenie Publ., 1980.
11. Ershov Yu.V., Primak A.G., Pokryshchuk P.I., Stolni-kov V.M., Tsikunov I.K., Yakovleva V.S. Prognozirovanie ekono-micheskikh pokazateley mnogourovnevykh tekhnicheskikh sistem s uchetom dinamiki raskhoda resursa [Forecasting economical indicators of multi-level technical systems according to dynamics of resources consumption]. Preprint 88-2, Kiev, Glushkov Institute of Cybernetics Publ., 1988.
