Основные положения функционально-стоимостного анализа (ФСА)

Определяющим принципом ФСА является функциональный подход. Под функцией в методе ФСА понимается назначение, состояние анализируемого объекта, его способность к действию, воздействию, удовлетворению потребностей.

До недавнего времени в исследовании материальных объектов основным, применяемым в течение многих десятилетий был предметный подход. Специалист, занимающийся проблемой снижения затрат, формулировал задачу следующим образом: как снизить затраты на данное изделие? Внимание концентрировалось на поиске лучших способов изготовления изделия в рамках уже принятого конструктивного решения.

При функциональном подходе специалист, наоборот, абстрагируется от реальной конструкции анализируемой системы и сосредотачивает внимание на ее функциях. Для него исследуемый предмет – комплекс функций, их совокупность. Специалист, четко определив функции анализируемого объекта, по-другому формулирует задачу: необходимы ли эти функции? Если да, то необходимы ли предусмотренные количественные характеристики? Каким наиболее экономичным путем можно достичь выполнения функций? [1÷4].

По области проявления функции делятся на внешние (общеобъективные), которые отражают сущность всего объекта как обособленной системы, его отношения со сферой применения, с внешней средой, и внутренние (внутриобъективные), которые отражают внутреннее состояние объекта, сущность его элементов, действия и взаимосвязи между ними. Они обусловлены как принципом, создания объекта, так и особенностью его исполнения.

Общеобъективные (общесистемные или внешние) функции по их роли в удовлетворении потребностей делятся на главные (эксплуатационные), которые определяют назначение, сущность, смысл совершенствования исследуемого объекта в целом (и именно они играют для потребителя решающую роль), и второстепенные, которые не влияют на работоспособность объекта, отражают побочные цели его создания (эстетические, эргономические и т.п.).

Определение главной функции должно быть таким, чтобы были ясны как потребительские свойства объекта, которые обеспечиваются при его использовании (эксплуатации), так и параметры, описывающие его структуру и поведение. Каждый объект имеет, как правило, одну главную функцию. Однако встречаются объекты многофункционального назначения. В проекте стандартов СЭВ по отношению к исследуемой системе главная функция является вышестоящей.

Общеобъективные и внутриобъективные функции по их роли в обеспечении работоспособности объекта подразделяются на основные (иногда их называют рабочими) и вспомогательные (иногда их называют обеспечивающими).

Основные функции выражают работоспособность объекта, создают необходимые условия для осуществления главной функции, без любой из них объект не может функционировать.

Вспомогательные функции содействуют прямо или косвенно реализации основных, делают их выполнение более полным. Как правило, на одну основную функцию приходится несколько вспомогательных, однако иногда одна вспомогательная функция может обслуживать сразу несколько основных.

По степени полезности функции делятся на полезные, бесполезные и вредные.

Полезные (необходимые, требуемые, позитивные) функции отражают функционально необходимые потребительские свойства, обеспечивают выполнение анализируемым объектом заданий (требуемой цели).

Бесполезные (ненужные) функции представляют собой проявление состояния или действия, которые ничего не добавляют к потребительским свойствам объекта исследования. Например, они могут выражаться в виде избыточного ресурса.

Вредные (негативные, нежелательные) функции оказывают отрицательное воздействие на работоспособность объекта, ухудшают его потребительские свойства, удорожают его.

Процесс последовательной проверки необходимости каждой функции является составной частью функционального подхода. Этот процесс в теории ФСА носит название верификации функций, т.е. подтверждения их целесообразности.

При определении функций учитывают следующие правила:

а) формулировка должна быть изложена по возможности двумя словами – глаголом и существительным (например, для электролампы – излучает свет);

б) в формулировках необходимо использовать существительные, которые обозначают величины, имеющие размерности (силу, вес и т.д.).

С позиции ФСА все затраты на изготовление изделия делятся на необходимые и излишние. Под первым понимается минимум затрат, необходимых для разработки, изготовления и эксплуатации объекта, для выполнения объектом его функционального назначения; под вторыми издержки, обусловленные наличием ненужных функций и неэкономичных конструктивных и технологических решений, принятых для осуществления необходимых функций.

Этапы проведения ФСА

(при создании новых объектов)

1. Информационно-подготовительный этап – установление целей и задач проектирования, подготовка, сбор и систематизация информации, построение «дерева целей», определение требований к характеристикам объектов и их значимости, выявление технико-экономических противоречий, определение ограничений, формирование ожидаемого конечного результата, расчет лимитных цен.

2. Аналитический – определение функций и предельно допустимых затрат по ним: формулирование общеобъективных функций (главных и второстепенных), выбор принципа реализации главной функции, формирование основных внутриобъективных функций, построение укрупненной функциональной модели, определение значимости функций, установление предельно допустимых затрат по функциям.

3. Творческий - разработка вариантов: поиск идей и решений по
реализации основных функций; сравнительная экспертная оценка их;
формулирование вспомогательных внутриобъективных фикций; поиск
идей по их реализации, определение состава вариантов для материальных носителей функций, синтез технических решений, построение вариантов укрупненной структурной модели объекта (варианты компоновок).

4. Исследовательский - укрупненная оценка вариантов по комплексу критериев: выбор критериев оценки, качественная оценка степени
выполнения функций по вариантам, укрупненная оценка производственных и эксплуатационных затрат на функции по вариантам, определе­ние соотношений полученных значений затрат по функциям с предельно допустимыми, комплексная технико-экономическая оценка вариантов и выяснение условий их внедрения.

5. Рекомендательный - выбор варианта для последующей отработки:
обсуждение и окончательный выбор варианта конструкции изделия, оформление рекомендаций по дальнейшей функционально-стоимостной обработке варианта.

Основная цель ФСА - максимизация отношений между потребительской стоимостью и затратами на ее обеспечение.

Показатели потребительской стоимости Р₁ определяется по формуле: Р₁ = F₁ / C₁→max,

где F₁ - уровень или степень выполнения функции (степень полез­ности);

С₁ - величина собственных затрат (цен), необходимых для реа­лизации этой функции.

Установлено пять вариантов эффективности, достигаемой ФСА:

1) рост полезности при увеличении затрат F₁>F₀, C₁>C₀, при этом рост F₁ больше роста C₁;

2) рост полезности при неизменных затратах: F₁>F₀, C₁=C₀;

3) рост полезности при снижении затрат: F₁>F₀, C₁=C₀;

4) полезность не меняется при снижении затрат: F₁=F₀, C₁<C₀;

5) полезность снижается до общественно необходимого предела
при более быстром снижении затрат: F₁<F₀, C₁<C₀, при этом F₁ снижается меньше снижения C₁.

Для реализации функционально-стоимостного подхода к объекту анализа, по Л.Д. Майлэу - основателю ФСА, необходимо ответить на следующие вопросы:

1. Что «это» такое?

2. Что «оно» делает?

3. Сколько «это» стоит?

4. Сколько «это» должно стоить?

5. Что другое может сделать «это» более экономичным?

6. Сколько «это» будет стоить?

Эти же вопросы в изложении отечественной методики ФСА формули­руются следующим образом:

1. Что представляет собой объект, функции которого мы хотим
осуществить с наименьшими затратами?

2. Какую точно функцию он выполняет?

3. Каковы фактические затраты на реализацию этой функции?

4. Каковы максимально допустимые затраты на реализацию этой
функции?

5. Какое другое изделие может более экономично осуществить эти
функции?

6. Сколько «это» будет стоить?

Для получения ответов но эти вопросы при проведении ФСА выпол­няются три процедуры:

1. Определение функций объекта анализа при абстрагировании
его как такового (1-2-й вопросы).

2. Оценка функций в денежных: выражениях или стоимостная оценка
функций (3-4-й вопросы).

3. Поиск альтернативных вариантов осуществления функций и выбор оптимального варианта со всех точек зрения его реализации (5-6-й вопросы).

7а. При анализе каждая функция объекта оценивается тремя основными критериями: значением функции, стоимостью и степенью невыполнения функциональных свойств.

Значение функции определяется обычно экспертным путём или по значимости времени и действия реализации функции.

Стоимость функции определяется по затратам на изготовление и эксплуатацию узла, обеспечивающего данную функцию.

Степень невыполнения функциональных свойств может быть оценена с помощью общепринятых показателей надёжности: вероятности безотказной работы, вероятности появления отказов или параметра потока отказов. Эти показатели для анализа надёжности были разработаны для систем автоматики, а затем стали применяться для всех технических устройств.

Анализ установил, что данные показатели не дают объективной оценки для сложных систем локомотивов в вопросе повышения эффективности их работы. Это обусловлено тем, что при стандартных показателях предполагается равенство значимости всех отказов, и учитывается только их количество. Для сложных систем, таких как узлы локомотивов, эта разница бывает очень значительна, например, выход из строя коленчатого вала дизеля нельзя сравнивать с выходом из строя водяного насоса. Поэтому автором для этой цели были предложены экономические показатели эксплутационной надёжности.[5÷7]

Для оценки степени невыполнения функциональных свойств отремонтированных узлов и элементов технических систем предложен показатель Q_zn(t) = вероятность весомости ущерба за счёт отказов n-ых узлов всех транспортных средств N, находящихся под наблюдением к моменту t

Q_zn^(t) = Z_n^(t) / z_N^(t)

где Z_n^(t) - ущерб за счёт отказов n-ых узлов N транспортных средств, находящихся под наблюдением к моменту времени t;

Z_N^(t) - ущерб за счёт отказов всех узлов N транспортных средств, находящихся под наблюдением к моменту времени t.

Z_N^(t) = Z_N^(t) _рем + Z_N^(t) _пр,

где Z_N^(t) _рем – затраты на внеплановый ремонт n-ых узлов N транспортных средств к моменту времени t;

где Z_N^(t) _пр - ущерб за счет простоя N транспортных средств к моменту времени t из-за выхода из строя n-ых узлов.

Для сложных технических систем, которые имеют очень большое количество крупных и мелких узлов со значительным количеством элементов, - целесообразно поэтапно применять вышеприведённые формулы. Вначале необходимо рассматривать вероятность весомости ущерба крупных узлов, а затем элементов этих узлов – Q_ZK^(t).

Q_ZK^(t) = Z_k^(t) / Zn^(t)

где Z_k^(t) - ущерб за счет отказов к – ых элементов n-ых узлов, находящихся под наблюдением к моменту времени t.

Если проводить отдельно расчёт по Z_N^(t) _рем и Z_N^(t) _пр то можно оценить
правильность эксплуатации, качество технологии ремонта и уровень
организации производства.

Для оценки надёжности узлов и элементов технических систем локо в процессе эксплуатации безотносительно ко времени ремонта вместо параметра потока отказов предлагается параметр потока затрат – W_Zn^(T)

i=N

W_Zn^(T) = Z_n (T) / Σ Δ ti

i=l

7б. Где Z_n (T) – ущерб за счет отказов n-ых узлов N систем за интервал времени Т;

∆t_i – наработка i – го локомотива за период времени Т в часах.

Для транспортных средств расчет веден по пробегу, тогда формула имеет вид: i=N

W_Zn^(L) = W_Zn^(T) = Z_n (T) / Σ Li

i=l

где Li – пробег i-го транспортного средства за период времени Т.

Разработанные экономические показатели надежности для сложных технических систем кроме определения степени невыполнения функций могут быть использованы в статистических методах тотальной системы управления качеством (TQM) с целью определения приоритетности инвестирования и модернизации.

Для транспортных систем, которые работают с различными режимами (тепловозы, грузовые автомобили, морские и речные суда) целесообразно режимы оценить как функции, а затем разработать способы улучшения критических режимных функций.

Рассмотрим пример расчета критических режимных функций тепловозного дизеля.

Главной функцией тепловозного дизеля является обеспечение тяговой характеристики тепловоза с помощью передачи.

Тепловозный дизель по условиям эксплуатации должен работать на переменных режимах с частыми остановками. Поэтому в качестве основных функций, которые обеспечивают осуществление главной функции, можно рассматривать работу дизеля на установленных режимах. По условиям эксплуатационной работы магистральных тепловозов целесообразно выделить пять режимов (основных функций дизеля): N1 - холостой ход; N2 - режимы работы при эффективной мощности - Ne = 0÷0,25 от номинальной мощности N_ном; N3 – при Nе = 0÷0,25 от N_ном; N4 – работа при нагрузках более 0,5 N_ном, исключая номинальный режим; N5 – номинальный режим.

В качестве значений функций приняты доли выполненной работы теплосиловой установкой для движения тепловоза, представленные в процентах при данном режиме работы (F₁ – F₅).

В связи с высокими ценами на дизельное топливо, затраты на которое составляют основную часть эксплуатационных расходов, целесообразно в качестве стоимости функций рассматривать долю стоимости израсходованного на данном режиме топлива, представленную в процентах (С₁- С₅).

Все расчеты проведены для дизелей 10Д100 тепловозов 2ТЭ10М. Длг других модификаций тепловозов этой серии и других серий тснлорозоы количественные данные меняются, но основные зависимое ш имею! аналогичный характер

Взяв статистические данные по времени работы этих тепловозов на различных режимах и соответствующие расходы топлива, были проведены расчёты по определению относительной значимости функций и их стоимости, которые приведены в таб.1.

Для определения первой критической функции предложен показатель Q_ZPi(t) – вероятность весомости затрат на топливо при данном режиме работы силовой установки:

Q_ZPi(t) = Z_i(t) / Z_p(t)

7в. где Z_i(t) - затраты на реализацию i– го режима силовой установки за уставленное время t;

Z_P(t) – затраты на реализацию всех режимов силовой установки за установленное время t.

Таблица 1

Оценка функций дизеля 10Д100

Обозначение функций	Относительная значимость	Относительная стоимость функций	Сравнение по затратам
N1	F1=0	C1 = 10,00	-10,00
N2	F2=1,15	C2 = 1,04	-0,11
N3	F3=6,69	C3 = 6,02	0,67
N4	F4=83,98	C4 = 75,58	8,40
N5	F5=8,18	C5 = 7,36	0,82

Данный показатель аналогичен показателю - вероятности весомости ущерба за счет отказов и равен удельной стоимости функции Сi.

По данному показателю критической функцией является режим № 4, на долго которого приходится 75,58 % всех затрат. На основании данных таблицы по показателю сравнения значимости и затрат второй критической функцией является режим холостого хода №1 (разность - 10). Следовательно, с целью повышения эффективности работы силовой установки тепловоза необходимо в первую очередь совершенствовать режимы №1 и №4, и все модернизации узлов и систем и регулировки производить для этих режимов.

При этом номинальный режим является вспомогательной критической функцией по показателю степени невыполнения функциональных свойств. По данным эксплуатации установлено, что на номинальном режиме обычно реализуется мощность значительно ниже паспортной. Это объясняется тем, что у этих двигателей при эксплуатации за счет интенсивного образования нагара в выхлопном тракте максимальная мощность падает. Кроме того, на этом режиме за счет высокой тепло напряженности часто возникают отказы по цилиндро-поршневой группе. Эту критическую функцию целесообразно использовать для определения межремонтных циклов.

Предложенный анализ относится к типовым условиям работы тепловозов. При работе в специальных условиях требуется определять свои критические функции. Например для черной металлургии, где скорости эксплуатации маневровых тепловозов с гидропередачей оказались значительно ниже расчетных (около 99% времени работы на 1-4 позициях), модернизация по изменению передаточного отношения ускоряющей пары шестерен гидротрансформатора позволила значительно увеличить эксплуатационный КПД тепловоза.