Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова (кафедра социокультурного проектирования и развития территорий, профессор)
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
В рамках методологии IDEF (I-CAM DEFinition или Integrated DEFinition), входящей в семейство методологий ICAM (Integrated Computer-Aided Manufacturing), предназначенной для решения задач моделирования сложных систем, рассмотрена методология функционального моделирования IDEF0 применительно к построению сложных технических систем модульного типа. Показаны особенности применения методологии функционального моделирования с помощью наглядного графического языка IDEF0 сложных технических систем модульного типа, когда моделируемая система описывается в виде набора взаимосвязанных функциональных блоков, которые при модульном принципе должны обеспечивать как возможность замещения одних модулей другими − с большими функциональными возможностями, так и возможность наращивать модули при развитии системы. Научная новизна работы заключается в обосновании методологических требований к функциональному моделированию сложных технических систем, создаваемых на основе модульного принципа.
методология, функциональное моделирование, сложные технические системы, модульный тип
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. Функциональное моделирование на базе стандарта IDEF0: метод. Указания / сост. Д.Ю. Киселев, Ю.В. Киселев, А.В. Вавилин. – Самара: Изд-во СГАУ, 2014. – 20 с.
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. Базров Б.М. Модульная технология в машиностроении/ Б.М. Базров. – Москва: Машиностроение, 2001. 368 с.
6. Бистерфельд О.А. Методология функционального моделирования IDEF0: учебно-методическое пособие / О.А. Бистерфельд; Ряз. гос. ун-т им. С.А. Есенина. — Рязань, 2008. — 48 с.
7. Верников Г. Основные методологии обследования организаций. Стандарт IDEF0. [Электронный ресурс]. –Режим доступа: http://www.interface.ru/fset.asp?Url=/ca/idefo.htm, свободный
8. Дворников А. IDEF0 как инструмент моделирования процессов // Авант Партнер, 2005. – No 22 (79).
9. Дэвид А. Марка и Клемент МакГоуэн Методология структурного анализа и проектирования SADT. http://dit.isuct.ru/IVT/BOOKS/CASE/case8/sadt_index.htm
10. РД IDEF 0 — 2000: методология функционального моделирования idef0. руководящий документ. Госстандарт России Москва, Ипк издательство стандартов, 2000 – 75 с.
11. Тебекин А.В. Инновационный менеджмент. Учебник для бакалавров / Москва, 2020. Сер. 58 Бакалавр. Академический курс (2-е изд., пер. и доп.).
12. Тебекин А.В. Методы принятия управленческих решений. Учебник / Москва, 2020. Сер. 76. Высшее образование (1-е изд.)
13. Тебекин А.В. Моделирование систем управления деятельностью таможенных органов с использованием методологии моделирования IDEF. // Вестник Российской таможенной академии. – 2015. – № 4. – С. 96-103.
14. Тебекин А.В., Тебекин П.А., Егорова А.А. Технологические трансформации XXI века как индуцирующий вектор перехода к новому качеству производства. // Теоретическая экономика. – 2021. – № 1 (73). – С. 42-53.
15. Тебекин А.В., Петров В.С. Использование методологии моделирования IDEF при формировании структурно-параметрической модели реализации технологий обеспечения эффективного развития промышленных предприятий в условиях постиндустриальной экономики. // Транспортное дело России. – 2017. – № 4. – С. 43-49.
16. Тебекин А.В., Сомов Ю.И. Моделирование управления деятельностью таможенных органов с использованием методологии IDEF1. // Вестник Российской таможенной академии. – 2016. – № 1. – С. 135-142.
