НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

УДК 658.53

МГТУ им. Н.Э. Баумана

dmitryak@mail.ru

Один из ключевых этапов жизненного цикла (ЖЦ) изделия – переход от концепции, заданной в рыночных формулировках к параметрической модели изделия, позволяющей проводить приблизительный расчет стоимости ЖЦ, а также оценку его рыночных перспектив. Такой расчет является относительно новой задачей, решаемой в системах автоматизированного проектирования.

Основные требования к стадии разработки общесистемного решения можно сформулировать следующим образом: разработка должна быть быстрой, должна сопровождаться расчетом стоимости ЖЦ изделия. Решение подобной задачи в настоящее время производится с помощью параметрических моделей изделия, которые позволяют на основе типовых решений, а также знаний о проектировании систем данного типа быстро создавать прототип изделия, который обеспечивает обоснованный переход к функциональным расчетам.

В основе систем, обеспечивающих прототипирование, – базовые модели, а также данные и знания, получаемые за счет настройки системы по имеющимся образцам техники, состоящими в основном из коэффициентов и тенденций.

Эффективное использования параметрических систем находится в основе прогнозирования параметров ЖЦ сложных машиностроительных изделий. Процесс создания прототипа состоит из двух стадий:

1) итеративное приближение к решению, которое выполняет рыночные требования и не противоречит физическим моделям данного типа изделий;

2) подбор компонентов из соответствующих библиотек, либо требование компонентов с новыми компонентами по мере необходимости.

Параметрические модели не должны содержать слишком много переменных и сложные модели [2].

В основе расчета показателей стоимости ЖЦ изделия используется метод дисконтированных сумм. Поскольку «жизнь» сложного машиностроительного изделия может насчитывать несколько лет или десятилетий, важным становится расчет не только номинальной стоимости проекта, но и реальной дисконтированной стоимости на момент принятия решений или другой момент.

Для пользователей изделия стоимость его «жизни»  складывается из основных составляющих: затраты на приобретение, установку, наладку, запуск на старте эксплуатации изделия ; затраты на обслуживание, включая стоимость работы операторов, регулярное обслуживание, налог на имущество, страховку, без учета стоимости заменяемых частей ; топливо/энергия – вычисляется отдельно от затрат по обслуживанию – учитывается с использованием собственного значения инфляции ; затраты на заменяемые части ; стоимость утилизации к конечному периоду использования :

,

где  – номер периода;  – коэффициент дисконтирования без учета динамики цен,  – ставка дисконтирования за период;  – коэффициент дисконтирования с учетом динамики цен,  – инфляция за период.

При оптимизации состава изделия необходимо учитывать удельный вес указанных затрат в стоимости ЖЦ изделия. Для сложных машиностроительных изделий стоимости обслуживания, топлива, ремонтов на протяжении жизни в несколько раз превышают стоимость приобретения и запуска изделия [1].

В случаях, когда период расчета меньше длительности «жизни» изделия и важные высокозатратные мероприятия по замене частей проводятся в разное время и(или) сравниваемые изделия имеют разную продолжительность «жизни», при сравнении проектов следует использовать методы обеспечения одинаковых условий расчета. В том числе для сравнения проектов с разным сроком «жизни» используется метод наименьшего общего кратного, в которое «укладывается» целое число жизней каждого проекта.

Затраты за ЖЦ изделия по системе ,  – количество агрегатов, на которые производится декомпозиция изделия:

.

Полные затраты на ЖЦ изделия как комплекса:

.

Структура ремонтного цикла сложного машиностроительного изделия представляет собой совокупность следующих элементов:

- плановые мероприятия по обслуживанию: предстартовый сервис , на сервисе перед началом выполнения производственного заказа проверяется работоспособность основных систем, обеспечивающих производительность, заправка, наладка, программирование, самодиагностика и т.п.; оперативный сервис , при данном виде сервиса список работ расширяется за счет проверки систем изделия с помощью дополнительного оборудования и т.п.; предупредительный сервис , категория работ данного вида сервиса позволяет выявить те отказы, которые не были выявлены в процессе эксплуатации. Такие отказы характерны для случаев неиспользования некоторых систем и агрегатов изделия на некоторых производственных заказах, также в случае, когда оперативная проверка не охватывает ряд систем и режимов работы изделия;

- замены агрегатов: плановые замены агрегатов  связаны с выработкой ресурсов систем и агрегатов изделия; внеплановые замены агрегатов  связаны с отказами, которые не устраняются силами операторов и сервисных команд изделия.

С учетом затрат на операторов изделия  полные затраты на его обслуживание составляют , а полные затраты на замену агрегатов – .

Классификацию затрат и принятие решения об изменении параметров (совершенствовании) проекта предлагается осуществлять следующим образом:

- по характеру учета при расчете стоимости ЖЦ изделия: основные (капитальные) затраты ; затраты на ремонт и замену частей ; топливо / энергия ; обслуживание / оперативная работа ;

- по событийности: операционные затраты (, ); затраты на ППР / диагностику и обслуживание (); затраты на устранение отказов (); затраты на ремонт и замену частей ().

При событийном подходе для выявления полного влияния мероприятий на стоимость ЖЦ сложного машиностроительного изделия необходимо учитывать потери от его простоя.

Для подготовки данных (информации) о вариантах решения задачи предлагается осуществлять последовательность этапов, представленную на рис. 1.

Этап 1. Постановка задачи расчета стоимости ЖЦ изделия. На данном этапе выставляются технические требования и ограничения, стоимости рисков неисполнения производственной программы и т.п.

Этап 2. Описание вариантов технических решений. Техническая среда: стратегии обслуживания (рис. 2).

Наиболее распространенные современные стратегии обслуживания: ремонт при отказе (при обнаружении неисправности или отказа заменяются только непосредственно неисправные части / агрегаты изделия); предупредительное обслуживание (при ремонте заменяются отказавшие части и части / агрегаты, ресурс которых близок к исчерпанию или исчерпан).

Этап 3. Подготовка дерева затрат. На данном этапе определяются затраты на производство, обслуживание, ремонт.

Этап 4. Выбор аналитической модели. Для каждой альтернативы технического решения и стратегии обслуживания проводится моделирование ЖЦ изделия на стадии эксплуатации. Для исключения динамической неопределенности результатов эксплуатации производится имитационное моделирование (метод Монте-Карло). Для правдоподобия ситуаций отказов изделия имитируются межремонтные интервалы систем изделия. Оценки параметров надежности, ремонтопригодности, готовности и производительности изделий получаются за счет усреднения большого числа повторений имитации его эксплуатации.

Этап 5. Сбор оценок и данных по затратам. На данном этапе необходимо задать параметры надежности частей изделия, нормы затрат на техническое обслуживание, ремонт, нормы штрафов за простои, нормы производительности.

Этап 6. Подготовка отчета о затратах по периодам. Для расчета приведенной к некоторому моменту времени величины затрат необходимо использовать дисконтирование сумм затрат с выбранным коэффициентом дисконтирования.

Этап 7. Подготовка данных о безубыточности вариантов. Рассматривается безубыточность использования парка изделий в течение установленного периода. В зависимости от состава изделия, стратегий эксплуатации, операционных параметров на основе соотношения постоянных, переменных затрат и производительности рассчитывается безубыточность работы изделия для каждого периода времени его «жизни».

Безубыточность контролируется на каждом этапе эксплуатации, в том числе при повышении интенсивности отказов, после ремонтов и модернизации изделия.

Оценка технической эффективности вариантов изделий:

.

Готовность изделия показывает насколько часто изделие находится в состоянии выполнять производственную программу, т.е. исправно и подготовлено к работе:

,

где  – время в состоянии готовности,  – время в ремонте, обслуживании, технологической перезагрузки и т.д.

Надежность изделия показывает вероятность безотказной работы за период времени:

,

где  – интенсивность отказов.

Надежность служит также для определения гарантийного срока потребителя.

Ремонтопригодность изделия показывает длительность безремонтной работы за период времени:

,

где  – интенсивность ремонтов.

Производительность  – отношение фактической производительности к плановой производительности изделия () или производительности аналога ().

Чтобы значения  и  можно было определить отличными от 0 и 1, необходимо выбирать соответствующее значение периода времени .

Эффективность системы  рассчитывается как отношение технической эффективности  к стоимости ЖЦ изделия  . Данный расчет применим как к изделиям и комплексам, представляющим собой самостоятельные производственные системы с известными показателями производительности и доходности, так и к изделиям и комплексам, являющимися частью производственной системы.

Этап 8. Подготовка Парето-диаграмм для основных статей затрат. Парето-диаграммы (рис. 3) используются для выявления наиболее критических статей затрат. Небольшое количество наименований затрат является источником большей части объема всех затрат.

Этап 9. Проведение анализа чувствительности. Для выбранных категорий затрат оценивается зависимость изменения стоимости ЖЦ изделия от величины изменения затрат по категории.

Этап 10. Анализ рисков стоимости и происшествий. На данном этапе осуществляется распределение стратегий по степени влияния на стоимость ЖЦ изделия.

Этап 11. Выбор действий с использованием стоимости ЖЦ изделия. Задание на изменение параметров (совершенствование) проекта должно содержать абсолютную величину требуемого изменения, допустимые величины изменения параметров, уровни изменений. Изменения проводятся последовательно по уровням в зависимости от исчерпания резерва изменения стоимости ЖЦ изделия на текущем уровне проекта (рис. 4). Изменение параметров (совершенствование) проекта на нижележащих уровнях оказывает влияние на параметры вышележащих уровней.

При создании нового изделия наиболее эффективное воздействие на  оказывает изменение изделия. При управлении стоимостью ЖЦ существующего изделия в зависимости от стратегии конкретного потребителя в изделии может быть проведена модернизация или модернизация производственных процессов, материально-технического обеспечения или операционного окружения. Если все возможные изменения не дали удовлетворительного результата при заданных ограничениях или в случае появления новых требований, производится изменение требований.

Имитационные модели эксплуатации изделия предназначаются для использования в системах автоматизированного проектирования при создании новой техники. При создании новых образцов техники переход от технического проектирования к расчетам экономических показателей изделия и стоимости ЖЦ удобнее проводить на стадии первичной компоновки нового изделия. При этом, во-первых, точность состава изделия обеспечивается автоматически. Во-вторых, на каждую систему или агрегат, подлежащие компоновке, вводится запись укрупненных (в зависимости от сложности модели) экономических параметров: расходов на сервис, периодичность сервиса и обеспечиваемая производительность (для частей непосредственно обеспечивающих производственные возможности изделия).

Осуществляя компоновку изделие, можно получить также его образ в виде записи состава систем, который и подлежит виртуальной эксплуатации в определенном окружении.

Используются следующие исходные данные: число изделий ; таблица длительностей перехода из одной базы на другую (от одного заказа к другому) ,  – номер текущего заказа,  – номер следующего заказа, ,  – число заказов в производственной программе изделий; технологическое время подготовки к очередному переходу ,  – номер изделия; характеристики баз по производительности  и категориям выполняемых работ ,  – номер базы; список работ: категории  и длительности работ , выполняемых на изделиях семейства, ; почасовые ресурсы  и цикловые ресурсы ; маршрут перехода (программа выполняемых заказов) для каждого изделия; экономические показатели: стоимость проведения работ , стоимость содержания запасов и технического персонала, стоимость часа изделия в работе , стоимость часа изделия при останове, технологической перезагрузке, ремонте ; метод расчета предупредительных работ.

В режиме дискретного времени происходит выполнение производственных заказов. После выполнения очередного заказа происходит технологическая перезагрузка, после которой изделие переходит к выполнению следующего производственного заказа. Задаются потоки отказов и сервисных работ по поддержанию изделия в работе, задается распределение времени восстановительных работ, обменных операций в системе снабжения и т.д. [2, 3].

Суммарные (интегральные) показатели результатов использования изделий: суммарное рабочее время по изделиям ; суммарное время останова (время на технологическую перезагрузку и ремонт) ; число запусков работ распределенное по производственным заказам (по базам) суммарное ; диаграмма запусков работ за укрупненные периоды для расчета программы снабжения суммарные и позаказные (по базам); время, потраченное на выполнение работ по категориям.

Общий результат  (сумма дохода от эксплуатации, затрат на производство, затрат при простое и сервисе, стоимости проведенных сервисов) для одного изделия ( – номер изделия):

,

для парка из  изделий:

.

При анализе работы существующих образцов техники модель также может быть использована для анализа влияния состава сложного машиностроительного изделия на экономические показатели эксплуатации. Она позволяет решить следующие основные задачи: составить повременной график состояний техники, на его основе создать модель окружения; сопоставить изменения конструкции и оснащения изделия изменению его эксплуатационных свойств. Используя последовательные приближения создать модель рационального изделия, сопоставляя цену производства и эксплуатации одного комплекса другому; подобрать модификацию изделия для конкретных условий использования, ориентируясь на каждого определенного потребителя.

Список литературы

1. Курсин, Д.А. Управление жизненным циклом сложного машиностроительного изделия [Текст] / Д.А. Курсин // Известия вузов. Машиностроение. – 2004. – ╧ 2. – С. 63–76.

2. Курсин, Д.А. Разработка метода принятия решения при изменении проекта сложного машиностроительного изделия на основе результатов имитационного моделирования [Текст] / Д.А. Курсин // Известия вузов. Машиностроение. – 2005. – ╧ 8. – С. 60–65.

3. Курсин, Д.А. Разработка модели управления жизненным циклом изделия на стадии эксплуатации [Текст] / Д.А. Курсин // Вестник машиностроения. – 2005. – ╧ 9. – С. 53–58.