Moscow State University. M.V. Lomonosov (Department of Socio-Cultural Design and Development of Territories, Professor)
Moskva, Moscow, Russian Federation
Within the framework of the IDEF (I-CAM DEFinition or Integrated DEFinition) methodology, which is part of the ICAM (Integrated Computer-Aided Manufacturing) family of methodologies, designed for solving problems of modeling complex systems, the IDEF0 functional modeling methodology is considered in relation to the construction of complex technical systems of a modular type. The features of the application of the methodology of functional modeling using the visual graphical language IDEF0 of complex technical systems of a modular type are shown, when the modeled system is described as a set of interconnected functional blocks, which, in the modular principle, should provide both the possibility of replacing some modules with others - with great functionality, and the possibility build up modules as the system develops. The scientific novelty of the work lies in the substantiation of the methodological requirements for the functional modeling of complex technical systems created on the basis of a modular principle.
methodology, functional modeling, complex technical systems, modular type
Введение
Ускорение научно-технического прогресса неизменно приводит к сокращению жизненных циклов новой техники, новых технологических процессов и т.д. при одновременном расширении спектра предоставляемых ими возможностей (функциональных, эксплуатационных и пр.) [11].
Рост ассортимента продукции новой техники и расширение состава технологий в условиях постиндустриальной экономики приводит к постепенному переходу от массового и крупносерийного производства через среднесерийное производство к мелкосерийному и единичному производству [14] под запросы конкретных потребителей (кастомизация [2]).
Кастомизация как индивидуализация продукции под заказы конкретных потребителей путём внесения функциональных, конструктивных и других изменений, как правило, на завершающих стадиях производственного цикла, в условиях постиндустриальной экономики, приобретает все более массовый характер.
Таким образом, при переходе от индустриальной к постиндустриальной экономике происходит переход от массового и крупносерийного производства однотипной серийной продукции к массовой кастомизации, когда в производство продукции закладывается возможность поменять часть ее свойств исходя из запросов конкретных потребителей.
Осуществлять такую кастомизацию сложной технической продукции во многих случаях целесообразно с использованием модульного принципа, успешно реализованным Майклом Деллом в модели доступа к потребителю через особые каналы в компании Dell Computer [12].
В этой связи представляет интерес рассмотрение проблемы функционального моделирования сложных технических систем, создаваемых на основе модульного принципа.
Цель исследования
Целью представленной работы является исследование методологии функционального моделирования сложных технических систем, создаваемых на основе модульного принципа.
Методологическая база исследований
Методологическую базу исследований составили руководящие документы [3, 4, 10], а также научные труды по методологии функционального моделирования таких авторов, как Бистерфельд О.А. [6], Вавилин А.В., Киселев Д.Ю., Киселев Ю.В. [1], Верников Г. [7], Дворников А. [8], Марка Д.А., Мак Гоуэн К. [9] и др.
Методологическую базу исследований также составили авторские наработки по методологии функционального моделирования [13, 15].
Основное содержание исследований
При исследовании методологии функционального моделирования сложных технических систем модульного типа за основу были приняты концептуальные положения методологии IDEF0 (рис. 1) [10], приложенные к сложным техническим системам, построенным по модульному принципу, означающему построение сложных технических систем с различными характеристиками путем компоновки их из типовых модулей ограниченной номенклатуры [5].
В более подробном определении модульный принцип означает особый способ построения сложных технических систем, предусматривающий подчинение их функциональных возможностей и размеров проектным модулям и / или обеспечение возможности комплектования разнообразных, сложных, нестандартных технических систем с большим различием характеристик из небольшого, экономически обоснованного количества типов и типоразмеров одинаковых первичных (типовых или стандартных) модулей.
В этой связи представляет интерес рассмотрение характеристик первичного модуля сложной технической системы (рис. 2) [10].
Рассмотрим составляющие схемы первичного модуля сложной технической системы в соответствии с методологией IDEF0 (рис. 2).
Под входом (рис. 2) в данном рассмотрении понимается потребность (Х) пользователя сложной технической системы в выполнении требуемой i-й функции (Хi).
Под именем функции (рис. 2) понимается i-й модуль сложной технической системы (Yi), реализующий функции i-ю потребность пользователя (Хi).
Под управлением (рис. 2) понимается набор управляющих воздействий (Qi) на i-й модуль сложной технической системы (Yi), реализующий функции i-ю потребность пользователя (Хi).
Под механизмом (рис. 2) понимается набор ресурсных и инструментальных воздействий (Zi), обеспечивающих преобразование в i-м модуле сложной технической системы (Yi) входного воздействия (Хi).
Под вызовом (рис. 2) понимается ответная реакция (Wi) модуля сложной технической системы (Yi) на воздействие механизма (Zi).
Под выходом (рис. 2) понимается отражение степени ожиданий пользователя (Ei) от выполнения i-м модулем сложной технической системы (Yi) заданной потребности (Хi).
Модельная интерпретация схемы первичного модуля сложной технической системы, построенной в соответствии с методологией IDEF0 (рис. 2) приведена на рис. 3.
Сформулируем методологические требования к модели функционального моделирования сложной технической системы модульного типа, построенной в соответствии с идеологией IDEF0 (рис. 4).
Во-первых, каждый выход (реализуемая функция) сложной технической системы (Ei) должен иметь максимальную степень подобия i-му запросу на выполнение функции потребителя (Хi), преобразуемый в сложной технической системе модульного типа {Yi}:
Ei~Хi (1).
Во-вторых, множество выходов (реализуемых функций) сложной технической системы {Ei} должно обеспечивать необходимый и достаточный уровень покрытия множества запросов потребителей {Хi}, преобразуемых в сложной технической системе модульного типа {Yi}:
∑Ei→∑Хi (2).
В-третьих, наборы управляющих воздействий {Qi} на сложную техническую систему модульного типа {Yi}, с одной стороны, должны обеспечивать требуемую специализацию при выполнении конкретных запрашиваемых функций (Хi), с другой стороны, наборы управляющих воздействий {Qi} должны быть максимально унифицированы:
∩Yi→min (3),
UYi→max (4).
В-четвертых, механизмы воздействий на сложную техническую систему модульного типа {Yi} как наборы ресурсных и инструментальных воздействий {Zi}, обеспечивающие преобразование в сложной технической системе модульного типа {Yi} множества входных воздействий {Хi}, должны обеспечивать необходимую ресурсную достаточность {Ri} и инструментальное разнообразие {Ii} используемых механизмов:
{Ri}→{Ri}* (5),
{Ii}→{Ii}* (6),
где {Ri} – фактический уровень ресурсной достаточности множества механизмов {Zi} сложной технической системе модульного типа {Yi},
{Ri}* – необходимый уровень ресурсной достаточности множества механизмов {Zi} сложной технической системе модульного типа {Yi},
{Ii} – фактический уровень инструментального разнообразия множества механизмов {Zi} сложной технической системе модульного типа {Yi},
{Ii}* – необходимый уровень инструментального разнообразия множества механизмов {Zi} сложной технической системе модульного типа {Yi}.
В-пятых, механизмы воздействий на сложную техническую систему модульного типа {Yi} как наборы ресурсных и инструментальных воздействий {Zi}, должны обеспечивать необходимую экономическую целесообразность и эффективность P(Zi) их использования:
P({Zi})≥ P*({Zi}) (7),
где P(Zi) – фактическая эффективность использования механизмов {Zi} воздействий на сложную техническую систему модульного типа {Yi}, определяемая из соотношения:
P({Zi})=S({Zi})/L({Zi}) (8),
S({Zi}) – функциональный эффект от использования множества механизмов {Zi} сложной технической системе модульного типа {Yi},
L({Zi}) – затраты на использование множества механизмов {Zi} сложной технической системе модульного типа {Yi},
P*({Zi}) – требуемая эффективность использования множества механизмов {Zi} сложной технической системе модульного типа {Yi}, определяемая из соотношения, аналогичного соотношению (8).
В-шестых, набор вызовов {Wi} как ответных реакций сложной технической системы модульного типа {Yi} на воздействие механизмов {Zi} должен обладать необходимым и достаточным уровнем информативности:
{Wi}→{Wi}* (8),
где {Wi} – фактический уровень информативности вызовов {Wi} как ответных реакций сложной технической системы модульного типа {Yi} на воздействие механизмов {Zi};
{Wi}* – необходимый уровень информативности вызовов {Wi} как ответных реакций сложной технической системы модульного типа {Yi} на воздействие механизмов {Zi}.
В-седьмых, сложная техническая система модульного типа {Yi} должна удовлетворять требованиям необходимой функциональной полноты G({Xi}), эксплуатационной надежности N({Yi}), экономической эффективности и целесообразности P({Yi}):
F[G({Xi}), N({Yi}), P({Yi})]→F*[G({Xi}), N({Yi}), P({Yi})] (9),
где F[G({Xi}), N({Yi}), P({Yi})] – фактический уровень функциональной полноты G({Xi}), эксплуатационной надежности N({Yi}), экономической эффективности и целесообразности P({Yi}) сложной технической системы модульного типа {Yi};
F*[G({Xi}), N({Yi}), P({Yi})] – необходимый уровень функциональной полноты G({Xi}), эксплуатационной надежности N({Yi}), экономической эффективности и целесообразности P({Yi}) сложной технической системы модульного типа {Yi}.
В-восьмых, функциональная полнота G({Xi}), обеспечиваемая сложной технической системой модульного типа {Yi}, должна удовлетворять требованиям необходимости и достаточности выполняемых функций:
G({Xi})→G*({Xi}) (10),
где G({Xi}) – фактический уровень функциональной полноты, обеспечиваемой сложной технической системой модульного типа {Yi};
G*({Xi}) – требуемый уровень функциональной полноты, обеспечиваемой сложной технической системой модульного типа {Yi}.
{Wi}* – необходимый уровень информативности вызовов {Wi} как ответных реакций сложной технической системы модульного типа {Yi} на воздействие механизмов {Zi}.
В-девятых, эксплуатационная надежность N({Yi}), обеспечиваемая сложной технической системой модульного типа {Yi}, должна удовлетворять следующим требованиям.
Безотказность сложной технической системой модульного типа {Yi} должна быть не ниже заданного уровня, рассчитываемого относительно базовой сложной технической системы (не модульного типа):
B({Yi})≥B*({Yi}) (11),
где B({Yi}) – фактическая безотказность сложной технической системой модульного типа {Yi},
B*({Yi}) − требуемая безотказность сложной технической системой модульного типа {Yi}.
Сохраняемость сложной технической системой модульного типа {Yi} должна быть не ниже заданного уровня, рассчитываемого относительно базовой сложной технической системы (не модульного типа):
С({Yi})≥С*({Yi}) (12),
где С({Yi}) – фактическая сохраняемость сложной технической системой модульного типа {Yi},
С*({Yi}) − требуемая сохраняемость сложной технической системой модульного типа {Yi}.
Долговечность сложной технической системой модульного типа {Yi} должна быть не ниже заданного уровня, рассчитываемого относительно базовой сложной технической системы (не модульного типа):
D({Yi})≥D*({Yi}) (13),
где D({Yi}) – фактическая долговечность сложной технической системой модульного типа {Yi},
D*({Yi}) − требуемая долговечность сложной технической системой модульного типа {Yi}.
Ремонтопригодность сложной технической системой модульного типа {Yi} должна быть не ниже заданного уровня:
∆Т({Yi})≤∆Т *({Yi}) (14),
где ∆Т({Yi}) – фактическое время ремонта сложной технической системой модульного типа {Yi},
∆Т* ({Yi}) − требуемое время ремонта сложной технической системой модульного типа {Yi}.
В-десятых, эффективность сложной технической системой модульного типа P{Yi} должна обеспечивать необходимую экономическую целесообразность и эффективность P({Yi}) ее использования:
P({Yi})≥P*({Yi}) (15),
где P({Yi}) – фактическая эффективность сложной технической системы модульного типа {Yi}, определяемая из соотношения:
P({Yi})= G({Xi})*N({Yi})/L ({Yi}) (16),
L({Yi}) – затраты на создание и эксплуатацию сложной технической системе модульного типа {Yi};
P*({Yi}) – требуемая эффективность сложной технической системы модульного типа {Yi}, определяемая из соотношения аналогичного соотношению (16).
Обсуждение результатов и выводы
Таким образом, результаты исследования методологии функционального моделирования сложных технических систем, создаваемых на основе модульного принципа, позволяют сформулировать следующие выводы.
Во-первых, каждый выход (реализуемая функция) сложной технической системы (Ei) должен иметь максимальную степень подобия i-му запросу на выполнение функции потребителя (Хi), преобразуемый в сложной технической системе модульного типа {Yi}.
Во-вторых, множество выходов (реализуемых функций) сложной технической системы {Ei} должно обеспечивать необходимый и достаточный уровень покрытия множества запросов потребителей {Хi}, преобразуемых в сложной технической системе модульного типа {Yi}.
В-третьих, наборы управляющих воздействий {Qi} на сложную техническую систему модульного типа {Yi}, с одной стороны, должны обеспечивать требуемую специализацию при выполнении конкретных запрашиваемых функций (Хi), с другой стороны, наборы управляющих воздействий {Qi} должны быть максимально унифицированы.
В-четвертых, механизмы воздействий на сложную техническую систему модульного типа {Yi} как наборы ресурсных и инструментальных воздействий {Zi}, обеспечивающие преобразование в сложной технической системе модульного типа {Yi} множества входных воздействий {Хi}, должны обеспечивать необходимую ресурсную достаточность {Ri} и инструментальное разнообразие {Ii} используемых механизмов.
В-пятых, механизмы воздействий на сложную техническую систему модульного типа {Yi} как наборы ресурсных и инструментальных воздействий {Zi}, должны обеспечивать необходимую экономическую целесообразность и эффективность P(Zi) их использования.
В-шестых, набор вызовов {Wi} как ответных реакций сложной технической системы модульного типа {Yi} на воздействие механизмов {Zi} должен обладать необходимым и достаточным уровнем информативности.
В-седьмых, сложная техническая система модульного типа {Yi} должна удовлетворять требованиям необходимой функциональной полноты G({Xi}), эксплуатационной надежности N({Yi}), экономической эффективности и целесообразности P({Yi}).
В-восьмых, функциональная полнота G({Xi}), обеспечиваемая сложной технической системой модульного типа {Yi}, должна удовлетворять требованиям необходимости и достаточности выполняемых функций.
В-девятых, эксплуатационная надежность N({Yi}), обеспечиваемая сложной технической системой модульного типа {Yi}, должна удовлетворять следующим требованиям: безотказность, сохраняемость и долговечность сложной технической системой модульного типа {Yi} должна быть не ниже заданного уровня, рассчитываемого относительно базовой сложной технической системы (не модульного типа).
В-десятых, эффективность сложной технической системой модульного типа P({Yi}) должна обеспечивать необходимую экономическую целесообразность и эффективность P({Yi}) ее использования.
В-одиннадцатых, для обеспечения эффективности сложной технической системой модульного типа P({Yi}) целесообразно при производстве модулей Yi использовать метод FMR-анализа, выделяя наиболее часто используемые модули (F) при кастомизации, менее часто используемые модули (M) и редко востребованные модули (R).
1. Funkcional'noe modelirovanie na baze standarta IDEF0: metod. Ukazaniya / sost. D.Yu. Kiselev, Yu.V. Kiselev, A.V. Vavilin. – Samara: Izd-vo SGAU, 2014. – 20 s.
2. Anderson David M. «Build-to-Order & Mass Customization, the Ultimate Supply Chain and Lean Manufacturing Strategy for Low-Cost On-Demand Production without Forecasts or Inventory». 2008, 520 pages, CIM Press.
3. Federal Information Processing Standards Publication 183. Integration definition for function modeling (IDEFO). Dec. 1993.
4. ISO/IEC/IEEE 31320-1-2012. Information technology - Modeling Languages - Part 1: Syntax and Semantics for IDEF0.
5. Bazrov B.M. Modul'naya tehnologiya v mashinostroenii/ B.M. Bazrov. – Moskva: Mashinostroenie, 2001. 368 s.
6. Bisterfel'd O.A. Metodologiya funkcional'nogo modelirovaniya IDEF0: uchebno-metodicheskoe posobie / O.A. Bisterfel'd; Ryaz. gos. un-t im. S.A. Esenina. — Ryazan', 2008. — 48 s.
7. Vernikov G. Osnovnye metodologii obsledovaniya organizaciy. Standart IDEF0. [Elektronnyy resurs]. –Rezhim dostupa: http://www.interface.ru/fset.asp?Url=/ca/idefo.htm, svobodnyy
8. Dvornikov A. IDEF0 kak instrument modelirovaniya processov // Avant Partner, 2005. – No 22 (79).
9. Devid A. Marka i Klement MakGouen Metodologiya strukturnogo analiza i proektirovaniya SADT. http://dit.isuct.ru/IVT/BOOKS/CASE/case8/sadt_index.htm
10. RD IDEF 0 — 2000: metodologiya funkcional'nogo modelirovaniya idef0. rukovodyaschiy dokument. Gosstandart Rossii Moskva, Ipk izdatel'stvo standartov, 2000 – 75 s.
11. Tebekin A.V. Innovacionnyy menedzhment. Uchebnik dlya bakalavrov / Moskva, 2020. Ser. 58 Bakalavr. Akademicheskiy kurs (2-e izd., per. i dop.).
12. Tebekin A.V. Metody prinyatiya upravlencheskih resheniy. Uchebnik / Moskva, 2020. Ser. 76. Vysshee obrazovanie (1-e izd.)
13. Tebekin A.V. Modelirovanie sistem upravleniya deyatel'nost'yu tamozhennyh organov s ispol'zovaniem metodologii modelirovaniya IDEF. // Vestnik Rossiyskoy tamozhennoy akademii. – 2015. – № 4. – S. 96-103.
14. Tebekin A.V., Tebekin P.A., Egorova A.A. Tehnologicheskie transformacii XXI veka kak induciruyuschiy vektor perehoda k novomu kachestvu proizvodstva. // Teoreticheskaya ekonomika. – 2021. – № 1 (73). – S. 42-53.
15. Tebekin A.V., Petrov V.S. Ispol'zovanie metodologii modelirovaniya IDEF pri formirovanii strukturno-parametricheskoy modeli realizacii tehnologiy obespecheniya effektivnogo razvitiya promyshlennyh predpriyatiy v usloviyah postindustrial'noy ekonomiki. // Transportnoe delo Rossii. – 2017. – № 4. – S. 43-49.
16. Tebekin A.V., Somov Yu.I. Modelirovanie upravleniya deyatel'nost'yu tamozhennyh organov s ispol'zovaniem metodologii IDEF1. // Vestnik Rossiyskoy tamozhennoy akademii. – 2016. – № 1. – S. 135-142.
