CC BY
110
УДК 629.7.036
СТРУКТУРА ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ СИСТЕМЫ И ОСОБЕННОСТИ ЕЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРИ ФУНКЦИОНАЛЬНО-СТОИМОСТНОМ АНАЛИЗЕ
Марина Владимировна Силуянова, д.т.н., проф., каф. «Двигатели летательных
аппаратов и теплотехника», e-mail: dc2mati@yandex. ru
Алексей Юрьевич Анисимов, аспирант, e-mail: dedau@yahoo. com
Михаил Сергеевич Кормашов, аспирант, e-mail: [email protected]
ГОУ ВПО «МАТИ» - Российский государственный технологический университет
им. К.Э. Циолковского, Москва
Рассмотрены функциональные требования к процессу моделирования структуры производственной системы, а также конструктивные решения, полученные в результате этого моделирования методами функционально-стоимостного анализа; определено, что производственная система имеет свойства, сходные со свойствами наукоемких изделий, и для нее характерны те же стадии жизненного цикла; показано, что во взаимосвязанной совокупности систем, включающей в себя проектную, производственную и эксплуатационную, наиболее ресурсоемкой является производственная система.
The authors considered the functional requirements to the process of modeling the structure of the production system, as well as design solutions received from this simulation by the methods of the functional cost analysis. It is determined that the production system has properties similar to the properties of high-tech products, and it is characterized by the same life cycle stages. It is shown that in an interconnected set of systems, which includes design, production and maintenance, production system is the most resource-intensive.
Ключевые слова: производственная система, функционально-стоимостной анализ, сложная техническая система, пространство проектирования.
Keywords: production system, value analysis, a complex technical system, design space.
На производственных стадиях жизненного цикла сложных технических систем (СТС) взаимодействия всех объектов, к которым относятся изделие и его элементы, оборудование, инструмент, приспособления, исполнители и исполнительные системы, а также системы проектирования и управления, осуществляются в более сложной системе, называемой производственной системой.
Структура составляющих производственную систему технологических сред, разрабатываемая для моделирования процессов создания машиностроительных изделий и их функционально-стоимостного анализа (ФСА), представлена на рис. 1.
ВНЕШНИЕ СВЯЗИ
ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ СИСТЕМА
Системы проектирования, организации производства и управления
__________ЭЩ)______________
Исполнители и исполнительные устройства
Технологическая среда Технологическая среда
изделия S(A) технологических систем S(P)
Агрегаты и узлы двигателя
Детали и заготовки
Материалы и полуфабрикаты
Основного
производства
Вспомогательного
производства
Обслуживающего
производства
Взаимодействие и преобразование изделий и технологических систем
S(T)
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
ВНЕШНИЕ
Рис. 1. Структура технологических сред, составляющих производственную систему
Производственная система включает в себя:
• Я(Л) - технологическую среду изделия;
• $(Р) - технологическую среду технологических систем: основного
производства, вспомогательного производства и обслуживающего производства;
• £(Т) - технологическую среду взаимодействия изделий и технологических систем;
• 5(П) - технологическую среду систем проектирования и управления.
Современные потребности развития техники, технологии и экономики в
углубленном изучении природы и общества приводят к развитию известных и возникновению новых учений о явлениях и процессах, происходящих в окружающем нас мире и выполняемых в различных сферах человеческой деятельности.
На этапах ФСА [1] для формирования и исследования методами математического моделирования конструктивно-технологических решений производственная система, как сложная техническая система, представляется в форме абстрактной структуры:
ад = да), ад, р, Б(Т)), (1)
где $(Л) - математическая модель конструкции изделия; $(Р) - математическая модель технологической системы; $(Т) - математическая модель конструктивно-
технологического решения; р - процедурно-алгоритмическая среда.
Для изучения явлений, процессов и участвующих в них объектов с качественной и количественной стороны нужна специальная методология, которая позволит исследовать взаимные изменения различных объектов в исследуемых процессах и явлениях, а также изменения элементов, свойств и параметров, характеризующих сами объекты и процессы, и, кроме того, их отношения в пространстве и времени.
Важнейшим признаком того, что называется явлением или процессом, является изменение состава, свойств или параметров объектов, участвующих в протекающих процессах или явлениях.
Явление, наблюдаемое в природе, обществе или технике, а также процесс, реализуемый в конкретной предметной области, воспринимается нами как изменение объектов, регистрируемое как изменения характеризующих их одних величин, взаимообусловленных изменением других величин. Величиной обозначается все то, что может быть охарактеризовано и выражено числами.
Для формирования представления пространства проектирования СТС, реализуемого в производственной системе, выделим два вида явлений:
1) явление-объект, представляемое простой иерархической структурой;
2) явление-процесс, отражающее взаимодействие объектов.
Для разнообразных технологических сред, составляющих производственную систему, введем единое представление содержания технологии. Под технологией будем понимать науку о методах и средствах реализации различных явлений, включающих в себя объекты и процессы.
Объект в системе моделирования может рассматриваться в пространстве без учета времени. В отличие от объектов процессы рассматриваются в пространстве, содержащем взаимодействующие объекты обязательно во времени.
Объекты адекватно представляются простыми иерархическими структурами, для описания процессов применяются более сложные математические модели.
Для анализируемых технологических сред, с целью их формализации и математического моделирования, методы определяются как операторы преобразования явлений и их перевода из некоторого предшествующего преобразованию состояния в некоторое последующее состояние. При этом средства рассматриваются как модификаторы методов. Методы характеризуются составом явлений (объектов и процессов), для которых они могут быть применены.
Формализация пространства проектирования для функционально-стоимостного анализа СТС на производственных стадиях жизненного цикла обеспечивает строгое и однозначное, логически непротиворечивое представление явлений и их состояний, а также методов и средств реализации состояний с учетом экспериментальных значений целевых функций и граничных условий.
Экстремумы целевых функций описываются выражением
ext C = Ф (X, Y), (2)
где X - вектор неуправляемых параметров; Y - вектор управляемых (изменяемых проектировщиками параметров).
Эти экстремумы определяются при ограничениях
G = {gu g2, ..., gb ..., gn},
где gi = f (X Y) < li - функция изменения граничных значений i-го ресурса технологической среды (ll - предельное значение объема i-го ресурса технологической среды).
Элементами технологической среды системы проектирования являются структурные элементы производственной системы, их свойства и параметры. Основным отличием при этом является то, что в системах проектирования структурные элементы из сред изделий и технологических систем представлены не материально, а своими информационными моделями [2].
Для различных объектов, являющихся элементами перечисленных сред, характерно существование в материальном или информационном слое, а чаще всего и в том и в другом одновременно.
На изначально свободное информационное пространство (слой) в процессе математического и натурного моделирования могут накладываться ограничения в виде:
• значений важнейших параметров, заданных проектировщиком интуитивно;
• конкретизации состояний свойств (контуров);
• определенности фрагментов структурных решений;
• определенности структуры и значений параметров стандартных и готовых компонентов объекта;
• рекомендаций по конкретным конструктивно-технологическим и организационным решениям.
Эти ограничения должны органически вписываться как в структуру данных проектируемого изделия, так и в процессы проектирования и управления, включая модели, алгоритмы и информационные потоки обмена между элементами технологических сред. Для различных объектов характерным общим свойством является прохождение всех стадий и этапов жизненного цикла (рис. 2).
РО
£
о
£
1^
о
о
§
о
1^
0
1
о
£
■а
£
о
5
в
ИНФОРМАЦИОННЫЙ СЛОЙ
ПРОЕКТИРОВАНИЕ НАУЧНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
КОНСТРУИРОВАНИЕ
ОТРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ
ПРОИЗВОДСТВО ПОДГОТОВКА ПРОИЗВОДСТВА
ИЗГОТОВЛЕНИЕ
ИСПЫТАНИЯ
ЭКСПЛУАТАЦИЯ ЭКСПЛУАТАЦИЯ
ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ И РЕМОНТ
СНЯТИЕ С ЭКСПЛУАТАЦИИ И УТИЛИЗАЦИЯ
ОБРАБОТКА
ИНФОРМАЦИИ
МАТЕРИАЛЬНОЕ ПРОИЗВОДСТВО
МАТЕРИАЛЬНЫЙ СЛОЙ
Ш
1^
О
щ
з-
£
щ
з-
щ
с
о
щ
Щ
о
£
г
о
ш
о
0.
с
о
о
щ
0 £ з-
£
1
о
£
ш
з-
Рис. 2. Системы обеспечения и сопровождения стадий жизненного цикла сложных
технических объектов
При выполнении технологической подготовки производства и осуществлении технологического процесса ставятся две основные задачи:
1) получить изделие, которое удовлетворяло бы определенным в техническом задании потребностям;
2) затратить на его изготовление как можно меньше труда.
Удовлетворять потребности могут изделия, обладающие качеством, которое определяется назначением. Это условие является главной составляющей конкурентоспособности.
Для выполнения технологического процесса создаются и используются различные средства труда, среди которых орудиям производства принадлежит решающая роль. Развитие и совершенствование орудий производства влияет на условия труда и развитие исполнителей и производства.
Уменьшению затрат физической силы человека и других видов энергии предшествует повышение результативности умственного труда. Таким образом, основой для развития ресурсосберегающих технологий являются инновационные наукоемкие инженерные технологии. Инновационные наукоемкие технологии определяют два вида труда: живой (настоящий) и прошлый (овеществленный).
Доля живого труда постоянно уменьшается, в то время как доля овеществленного труда возрастает, что обеспечивается развитием и накоплением технологических процессов и средств производства.
Информационные технологии, несмотря на закономерную общность, имеют ряд существенных отличий от материальных технологий в силу присущих им особенностей. Важнейшей из особенностей является универсальность. Развитие средств вычислительной техники и инструментальных систем обеспечивает высокую удельную мощность информационных процессов. Информация при хранении не утрачивает своей ценности (своих качеств, характеристик), если в ней сохраняется потребность. Информационный запас легко модернизируется и расширяется.
Автоматизация проектирования и производства может представляться как средство (метод) изменения соотношений долей живого и овеществленного труда.
Изменение направлений самого труда, т.е. соотношений качества и количества, а не изменение времени за счет повышения интенсивности - вот основная задача ФСА на производственных стадиях жизненного цикла сложных технических систем в переходе к параллельному проектированию методами CALS-технологий.
Проектирование начинается с задания на проектирование, которое отражает потребности общества в получении некоторого технического объекта. При традиционном подходе проектирование завершается формированием комплекта документов, содержащих сведения, достаточные для реализации объекта в заданных условиях. Современные методы проектирования обеспечивают представление проектных решений в форме электронных макетов. Техническое задание и окончательный комплект документов (независимо от формы представления) является необходимым и достаточным описанием технического объекта.
Технологическая среда системы параллельного проектирования, включающая в себя методы и средства ФСА, объединяет объекты, процессы и средства проектирования.
Технологическая среда может характеризоваться как система проектирования, состоящая из объектных подсистем и средств, включающих те же виды обеспечений, что и автоматизированные системы: математическое, лингвистическое, информационное, программное, техническое, методическое и организационное.
Структура производственной системы, разработанная для моделирования процессов создания сложных технических систем и их ФСА, представлена на рис. 3.
ПРОЕКТИРОВАНИЕ
Внешние
связи
Процессы проектирования
(Информационные технологии)
_| Информационный
I-
- научные исследования;
- конструирование (создание моделей)
ИЗДЕЛИЕ
КОНСТРУКТИВНО-1ТЕХНОЛОГ ИЧЕСКИЕ
изготовление элементов конструкций; сборка; монтаж систем
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
атериальныи слои _
Процессы производства
(Материальные технологии)
Производственная система
ПРОИЗВОДСТВО
Внешние
связи
о
с
0
1
X
а»
н
га
ІС
н
о
ю
га
н
О
<
сц
§2
5 е і _ < ш
П М
о
О
X
к ! і Є*
о О О X
=г 9
О х т
о.
Рис. 3. Структура производственной системы газотурбинных двигателей для формирования и функционально-стоимостного анализа на производственных стадиях жизненного цикла
Методика ФСА обеспечивает последовательное уточнение оценок (интервал, границы которого сближаются) при переходе от начальных стадий и этапов жизненного цикла к последующим. Изменения конструкции, связанные с модернизацией изделий, требуют модернизации и переналадки производственной и эксплуатационной систем. В современных условиях (конверсия оборонного комплекса, обострение конкурентной борьбы) в ряду требований к процессам проектирования на первое место выходят комплексность и гибкость. Гибкость, как важнейшее качество комплексных проектных решений, требует интенсивной разработки и применения методов ФСА и новых информационных технологий проектирования, производства и управления, обеспечивающих переход к методам параллельного проектирования на основе математического моделирования и построения электронных макетов объектов.
Для обеспечения комплексности любой объект моделирования (изделие, технологическая система, технологический процесс) на всех стадиях жизненного цикла должен сопровождаться динамической, постоянно корректируемой, иерархической информационной моделью, позволяющей при изменяющихся условиях выявлять и оценивать множество рациональных вариантов комплексных проектных решений.
Каждое подпространство проектирования отражает определенный логически законченный набор мероприятий, которые необходимо выполнить до перехода к следующему этапу ФСА. Взаимосвязь этапов функционально-стоимостного анализа с процессом управления требованиями и программой реализации СТС представлена на рис. 4.
Предлагаемая методология реализуется на основе иерархической информационной модели конструктивно-технологических решений в форме объектно-ориентированных баз знаний и банков данных. Слабоформализованная многокритериальная оценка конкурентоспособности сложных технических систем определяется методом ФСА на основе имитационного моделирования по динамическим моделям изделия и технологической системы изготовления на производственных стадиях жизненного цикла.
Рис. 4. Функционально-стоимостной анализ в процессе управления жизненным циклом
сложных технических систем
Литература
1. Силуянова М.В. Функционально-стоимостной анализ агрегатов и узлов авиационных двигателей на производственных стадиях жизненного цикла: Учеб. пособие. М.: МАТИ - РГТУ им. К.Э. Циолковского. 2002.
2. Силуянова М.В. Повышение конкурентоспособности сложных технических систем на основе функционально-стоимостного анализа производственных стадий жизненного цикла // Экономика и управление в машиностроении. 2009. № 1. С. 36 - 40.
Поступила 20.04.2011 г.
