CC BY
5DOI: 10.24412/cl-37095-2023-1-50-56
Никитин В.Н., Быстрицкий А.А. Процессный подход при анализе и модернизации технических систем
Аннотация. Рассмотрен процессный подход к анализу функционирования технического объекта с целью его модернизации на примере кулера для получения газированной воды. Кардинальное отличие данного подхода от классического заключается в обратной последовательности выполнения функционального анализа. Сначала определяется процесс, затем исполняемые функции, и только потом выявляются компоненты технического объекта, реализующие функции. Моделирование бизнес-процесса выполнялось с использованием нотации на основе IDEF0. Дополнительно предложено использовать матричное описание бизнес-процесса, для выявления недостатков и формулирования задач по их устранению. Цель работы: познакомить читателей с методом модернизации бизнес-процессов и технических объектов на реальном кейсе. В работе показано, как предложенный метод позволил выявить недостатки кулера, и обосновано предложить несколько направлений его совершенствования.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ И БИЗНЕС-ПРОЦЕССЫ
Алгоритм выбора инженерных задач (АВИЗ) [1, 2], разработанный с нашим участием и используемый авторами, является одним из алгоритмов в ТРИЗ, в которых ключевым объектом анализа является технологический процесс.
Модернизация технологических процессов в логике АВИЗ воспринимается как изменение способов реализации имеющейся технологии в результате выбора и решения инженерных задач. Для проведения анализа возникает вопрос корректного описания технологических процессов, включая не только его структуру, но и процессы функционирования оборудования, приводящие к возникновению желаемого, целевого результата. Используемая нотация должна позволять эксперту, «читающему» описание технологического процесса, выявлять проблемные зоны, разрабатывать и формулировать изменения, направленные на совершенствование процесса.
В связи с этим мы поставили перед собой задачу рассмотреть, оценить и переосмыслить практику, наработанную экспертами, специализирующимися в области описания и анализа бизнес-процессов.
Бизнес-процесс определяется в различных источниках следующим образом:
• систематизированное последовательное исполнение функциональных операций, которые дают специфический результат [3];
• операция, включённая в систему операций, целью которой является производство и поставка услуг/товаров операциям, входящим в систему, а также другим системам [4];
• совокупность взаимосвязанных и/или взаимодействующих видов деятельности, использующих входы для получения намеченного результата [5].
МОДЕЛИРОВАНИЕ БИЗНЕС-ПРОЦЕССОВ
Для моделирования мы использовали нотацию на основе IDEF0, которая позволила нам декомпозировать бизнес-процесс и обеспечить требуемый уровень детализации функций, ресурсов, управления и механизмов [6].
Выбор модифицируемого бизнес-процесса определяется требованиями стейкхолдеров (заинтересованными сторонами). Так, при эксплуатации технического объекта владелец бизнес-процесса может быть заинтересован в улучшении качества продукта, в снижении себестоимости или в устранении каких-либо проблем при его получении. В последнем случае для анализа выбирается бизнес-процесс «эксплуатация», входом которого будет являться сырьё для получения продукта, а выходом - продукт.
Предприниматель (заинтересованное лицо) является изготовителем кулеров для получения газированной воды. Им получена информация о претензиях пользователей к неста-
бильности вкуса газированной воды, производимой аппаратом. Так, в процессе изготовления кулером порций газировки, её вкус может быть более насыщенным или менее насыщенным. Перед нами была поставлена задача, установить и устранить причину возникновения нестабильности качества.
Для выполнения данной задачи проводился анализ и оценка бизнес-процессов, реализуемых пользователем и кулером - той социотехнической системы, которая функционирует для изготовления газированной воды. Описание процессов, с использованием нотации на основе IDEF0, позволило сделать прозрачными исполняемые процессы и выявить «узкие места» технологии по различным критериям.
Рис. 1. Модель уровня А1 бизнес-процесса «приготовить газированную воду».
Выполним моделирование бизнес-процесса работы кулера. Рисунок 1 отображает модель верхнего уровня, в которой зафиксированы: блок, указывающий на выполняемую операцию или функцию, продукт, ресурсы, механизмы, обеспечивающие реализацию
блока, управляющие сигналы (требования и ограничения, исполнение которых обеспечивает реализацию целевого процесса). Основным бизнес-процессом (выделен красным цветом) является процесс получения продукта - газированной воды. Для получения продукта используется вода из магистрали и сжиженный углекислый газ в баллоне, подаваемый в систему через редуктор (рис.2). При интенсивной эксплуатации кулера может меняться вкус газированной воды. Необходимо устранить эту проблему.
В ходе дальнейшего анализа выполняется декомпозиция бизнес-процесса с переходом на уровень подсистемы. На рисунке 3 показана модель уровня А2 с выявлением пяти взаимосвязанных функций (блоки А21^А25). Процесс подготовки воды (блок А22) к газированию не вызывает у изготовителя кулера каких-либо претензий к технологии. В то же время технология подготовки углекислого газа к газированию воды (блок А23) не совершенна и вызывает проблему при эксплуатации кулера.
Рис. 2. Редуктор газа
Рис. 3. Модель уровня А2 бизнес-процесса «приготовить газированную воду»
Для оценки качества бизнес-процессов мы использовали четыре группы ключевых параметров (рис. 4).
№ Ключевой параметр Показатели
1 2 Затратность Производительность кг, м , кг/шт., руб., руб./шт. количество продукции/период (число работников)
3 Надёжность тах А параметра (потери от брака)/период
4 Безопасность количество аварий (стоимость потерь)/период
Рис. 4. Ключевые группы параметров оценки качество операций
Под «затратностью» понимаются совокупные издержки, которые порождаются выполнением данной операции при создании продукта необходимого качества. Затраты могут быть измерены в стоимостных или натуральных показателях. Параметр «производительность» характеризует степень совершенства выполняемых операций, с точки зрения затрат времени на выполнение какой-либо отдельной операции или производства единицы продукции. Надёжность, как параметр, оценивает выполняемый бизнес-процесс с точки зрения стабильности (устойчивости) получаемого конечного или промежуточных результатов. Параметр «безопасность» используется для оценки рисков нанесения вреда эксплуатанту данного бизнес-процесса и окружающей среде.
Ключевым показателем качества бизнес-процесса «подготовить газ к растворению» является надёжность (стабильность) давления углекислого газа в газовой магистрали на участке регулятор - сатуратор. Это необходимо для обеспечения постоянной концентрации растворённого углекислого газа в продукте - газированной воде.
Рис. 5. Модель уровня А3 бизнес-процесса «подготовить газ к растворению»
Модель бизнес-процесса «подготовить газ к растворению» (блок А23) выявлена на следующем уровне декомпозиции А3 и представлена на рисунке 5.
АНАЛИЗ БИЗНЕС-ПРОЦЕССОВ
Процесс подготовки газа включает испарение сжиженного углекислого газа, хранящегося в баллоне и проход газового потока через газовый регулятор, установленный на баллоне. Затем происходит перемещение СО2 из регулятора в сатуратор, в котором происходит насыщение воды газом.
При переходе от одной операции к другой меняются физические параметры газового потока. Рассмотрим процесс матричного описания процедур бизнес-процесса на примере блока А33 (рис. 5). Матрица первичного описания будет выглядеть следующим образом (рис. 6). Моделирование бизнес-процесса позволяет сгенерировать матрицу содержащую информацию о потоках и выполняемых над ними операциях с учётом величин ключевых параметров (КР1). Таким образом, формируется описание протекающей операции.
Таблица 1. Блок А33 «Нормировать давление газа».
СО2 - углекислый газ из баллона, Р=60 атм., 1=20°С.
Входные потоки, КР1 -
Тепловой поток. (Не измеряется)
Выходные потоки, КР1 СО2 - углекислый газ требуемых параметров, Р=4,2 атм.; К20°С.
Сигнал обр. связи, внешний, Прогиб мембраны=Х мм; К20°С.
Сигнал обратной связи, внутренний. (Не измеряется)
Управляющие действия ФХЗ - противодавление при расширении газа. (Не измеряется)
СУ-1 - сигнал о падении давления в выпускной камере. СУ-2 - сигнал об увеличении давления в приёмной камере.
Исполнительные механизмы/ свойства Регулятор газа - редуктор - мембрана между выпускной и приёмной камерами. При СУ-1 мембрана открывает канал, при СУ-2 - закрывает.
Рис. 6. Матрица «Потоки, управляющие воздействия и механизмы
На следующем шаге необходимо оценить воздействия, которые оказываются на потоки (рис. 7). То есть, выполняется анализ управляющих воздействий и исполнительных механизмов, которые реализуют функции инструмента при обработке изделия - входного потока и превращения его в результат - выходной поток.
Таблица № 2. Управление потоками. Блок А33 «Нормировать давление газа»
Управляющее воздействие Падение давления в выпускной камере. Эффект № 2 Рост давления в приёмной камере. Эффект № 1
Исполнительный механизм - редуктор Мембрана изгибается, противодействуя пружине, и клапан открывает канал. Эффекты №№ 3,4,5. Мембрана изгибается под действием пружины, и клапан закрывает канал. Эффекты №№ 3,4,5.
Сопутствующие процессы Газ в баллоне охлаждается. Эффект № 1. Нейтральный процесс
Газ в редукторе охлаждается. Эффект № 2. Нейтральный процесс
Охлаждение мембраны и пружины (изменение упругих свойств). Эффект № 2. Вредный процесс
Используемые эффекты, №№ 1. Адиабатическое испарение (в баллоне)
2. Адиабатическое расширение в редукторе
3. Деформация поверхности под давлением
4. Деформация пружины
5. Низко фрикционное скольжение
Рис. 7. Матрицы описания механизмов и управляющих воздействий в блоке А33
Из описания, выполненного в таблицах 1 и 2 (рисунки 6 и 7), следует, что управление потоками в блоке А33 выполняется при отсутствии информации о функционировании компонентов редуктора, то есть обратной связи. Отсутствие такой связи приводит к потере управляемости процессом редукции газа и нестабильности давления газа в сатураторе.
Качество процессов обработки потоков, в том числе по параметру давления, характеризуется критериями эффективности и результативности.
При этом под результативностью процесса «нормировать давление газа» мы понимаем способность регулятора обеспечивать устойчивость выходных параметров газа, таких как давление, температура, химический состав и т. д., поступающего в сатуратор. А эффективность определяется как отношение полученного результата, то есть создание газовой атмосферы в сатураторе, к затратам (стоимости), понесённые для получения конечного результата.
Затем мы формируем таблицу целевых и текущих показателей по блоку, чтобы выявить отклонения между ними и принять решение о способах их устранения.
Таблица № 3. Целевые (бизнес-процесс А1) и текущие (блок А33) показатели.
Параметры Количество воды в порции Бизнес-процесс А1 0,2 кг Блок А33 0,2
Концентрация СО2 в воде 0,018 кг/кг 1 со/-1 Переменная
Температура воды Давление в системе входное 15 С 60 атм. 20 С 60 атм.
Давление в системе выходное 4,2 атм. Показатель нестабилен
Давление в продукте 1 атм. 1 атм.
Рис. 8. Матрица «целевые и промежуточные показатели»
В результате выполненных «матричных» описаний (рис. 6-8), очевидно, что при имеющихся механизмах целевые показатели при выполнении операции А33 не достигаются, в том числе из-за отсутствия обратной связи. И это не позволяет контролировать изменение свойств мембраны в зависимости от режима её работы, что приводит в итоге к нарушению качества продукта. Создание редуктора с обратной связью возможно, но это дополнительно удорожает конструкцию. Это ставит перед нами цель - заменить имеющийся механизм конструкцией, которая позволяет получать обратную связь или минимизирует потребность в ней.
Модернизация бизнес-процессов
Модернизация регулятора должна обеспечить стабильность показателей потока углекислого газа, поступающего в сатуратор, т. е. от блока А23 к блоку А24 (рис. 3). При этом, кроме физико-технических показателей, таких как давление, температура и т. д., необходимо контролировать ключевые параметры процесса (рис. 4).
Анализ данных табл. № 3 показывает, что переменная концентрация СО2 в воде обуславливает нестабильность вкуса и обуславливается сбоями в работе мембраны (табл. № 2) при изменении температурных режимов вследствие адиабатического испарения.
Целевой показатель бизнес-процесса, протекающего в блоке А33 (рис. 5) - это стабильность концентрации, то есть постоянство количества растворяемого вещества в единице растворителя.
Интеграция данной информации определяет первое направление модернизации бизнес-процесса, а именно, переход от адиабатического испарения к изотермическому, т. е. при постоянной температуре. Это направление может быть реализовано двояким образом: изотермическое испарение газа в баллоне или поддержание постоянной температуры редуктора. Первое направление очень инерционно из-за большой массы газа и баллона.
Второе направление вполне реализуемо и поддержано вещественно-полевыми ресурсами. Однако в этом случае модернизация затрагивает вторичные (вспомогательные) бизнес-процессы. Это не позволяет перейти на новую S-образную кривую.
Ещё раз рассмотрим существующую причинно-следственную цепочку, реализуемую через бизнес-процесс, описанный уровнем А2 (рис. 3). Кулером за пределами газового баллона создаётся постоянное давление и постоянная температура газа. Это обеспечивает постоянную величину растворимости газа в жидкости (константа Генри) и формирует постоянный вкус газированной воды. То есть управление вкусом газированной воды происходит через организацию стабильных условий растворения газа, а это является вспомогательным процессом. [7]
Если же ориентироваться на целевое действие для блока А24 (рис. 3), возможна иная организация бизнес-процесса газирования воды. Когда нормированное постоянное количество газа смешивается с нормированным постоянным количеством воды. Постоянное количество газа формируется нормированным объёмом газовой магистрали при постоянной температуре и давлении газа. Стабильное давление испаряемого газа обуславливается физико-химическим эффектом постоянства давления паров над поверхностью испаряемой жидкости при постоянной температуре жидкости.
Таким образом, мы отказываемся от задачи регулирования давления в газовой магистрали, замедляя этот процесс редуцированием газа с 60 атм. до 4,2 атм. в нормированный объём газовой магистрали и сатуратора.
4. Источник тепла
5. Клапан-отсекатель
6. Стакан для газированной воды
7. Смеситель (сатуратор)
2. Дроссель
3. Теплообменник
1. Газовый баллон
Рис. 9. Модернизация редуктора для СО2
В этом случае, регулятор газа выполняется в виде двухпозиционного клапана (открыто/закрыто). На высокой стороне клапана давление 60 атм., образующееся в баллоне, а на низкой стороне давление падает с 60 до 4,2 атм. Регулируемым параметром является длительность открытия клапана, что обуславливает количество пропущенного газа. А это легко решаемая вторичная задача.
• Приоритетным объектом моделирования и анализа существующего или модернизируемого технического объекта является процесс его функционирования, а объект при этом - это механизм, проявляющий его суть.
• Нотация на основе IDEF0 позволяет формировать иерархическое описание функционирования социотехнической системы.
• Совокупность описаний социотехнической системы, выполненных на всех требуемых уровнях детализации, даёт возможность выполнения комплексного анализа функций, реализуемых используемым техническим объектом.
• В процессе анализа функциональной модели появляется возможность перехода от «проблемной» операции к «проблемному» компоненту социотехнической системы, отвечающему за реализацию операции, а затем - к его свойствам.
• Результаты анализа отражаются в матричном описании, которое является цифровым двойником функциональной модели бизнес-процесса с указанием отклонений ключевых показателей от требуемых значений, исполнительных механизмов и используемых для их работы свойств, и физико-химических эффектов.
• Анализ функциональной модели позволяет модернизировать способ реализации бизнес-процесса.
ЛИТЕРАТУРА
1. Алгоритм выбора изобретательских задач из производственной ситуации - АВИЗ (п)-93 / Г.И. Иванов, А.А. Быстрицкий, В.Н. Никитин. - Ангарск, 1993. - 32 с. - Деп. в ЧОУНБ 02.02.1994 № 1709.
2. Иванов Г.И., Быстрицкий А.А. Формулирование творческих задач. - Челябинск: ИИЦ «ТРИЗ-инфо», 2000. - 60 с. - (Библиотечка журнала «Технологии творчества». Выпуск 2).
3. TeleManagement Forum. Telekom Operation Map. Evaluation Version 2.1. - Morristown, NJ: TMForum, 2000a - 82
4. Уточнение понятия «бизнес-процесс». Менеджмент в России и за рубежом. №6, 20001.
5. ГОСТ Р ИСО 9000-2015 СИСТЕМЫ МЕНЕДЖМЕНТА КАЧЕСТВА Основные положения и словарь.
6. Дэвид А. Марка, Клемент МакГоуэн. Методология структурного анализа и проектирования SADT https://pqm-online.com/assets/files/lib/books/marka.pdf
7. Перри, Джон Г. Справочник инженера-химика [В 2 т.]: Пер. с 4-го англ. изд. / Под общ. ред. акад. Н. М. Жаворонкова и чл.-кор. АН СССР П. Г. Романкова. - Ленинград: Химия. Ленингр. отделение, 1969.
ВЫВОДЫ
