Проектирование технологического продукта на основе подхода к стандартизации его архитектуры

Введение

В последние десятилетия основой для повышения конкурентоспособности и роста объема продаж стала ориентация всех процессов на потребителя. Стремление к персонализации и неоднородность требований потребителей к продукту приводит к расширению ассортиментной линейки и, следовательно, к увеличению сложности бизнес-процессов компании. Из-за растущего числа вариантов и новых конфигураций продукта, необходимых для развития нишевых рынков, возрастает сложность всей цепочки создания стоимости [1]. Такой приводит к сокращению операционной прибыли, несмотря на рост объемов продаж. В этой связи представляется актуальной задача изменения подходов к разработке продуктов [2].

Вопросы разработки продукции исследуются начиная с 30-х годов XX века многими отечественными и зарубежными учеными и практиками. Они нашли свое отражение в трудах ряда ученых: А. Кайзера [11], Ф. Лёшмана [13], Г. Шуха [18], Е.В. Плахотникова [3], К.С. Еленева [1], М.А. Чаруйской [6]. Вопросам стандартизации архитектуры продукта и разработке модульной продукции посвящены труды Дж. Гёпферта [9, 10], Г.Шуха [19], А. Кайзера [5], К.Ульриха [21], М.А. Чаруйской [4, 5]. Различные аспекты разработки дорожной карты проектирования инновационного продукта приведены в работах таких ученых, как Г. Шуха [19], В. Буса [7], В.Н. Андреева [6] Р.А. Нежметдинова [14]. Вопросы разработки и анализа функциональной модели рассмотрены в работах Т.Раппа [17], Х.Дуббеля [8], Дж. Гёпферта [9, 10], У. Линдеманна [12], П.Дж. Рафнова [16], Ф. Лёшмана [13], Г.Шуха [20].

В этой связи целью исследования является разработка методического инструментария, обеспечивающего планирование развития продукта с учетом стадии зарождения идеи и подхода к разработке продукта как сложной системе.

Научная новизна работы выражается в разработке комплексной метода разработки продукта, отличительной особенностью которой является применение функциональной модели изделия и планирование модульной архитектуры продута на стадии планирования его концепции.

Авторская гипотеза заключается в предположении, что основную роль в таком подходе к разработке продукта как сложной системы играет процесс проектирования архитектуры продукта.

Методология исследования предполагает анализ научной литературы по вопросам разработки сложных продуктов, выявление аспектов влияния на проектирование архитектуры, на основании результатов исследования синтез комплексного метода разработка концепции продукта.

Стандартизация архитектуры продукта

Архитектура продукта представляет собой объединение его структуры и функциональной модели, а также их взаимосвязей и может быть описана с использованием следующих трех характеристик [9]:

- функциональная модель продукта (разбивка функций продукта на подфункции и их взаимосвязи);

- структура продукта (конкретный состав компонентов и их взаимосвязь);

- взаимосвязь между функциональной моделью и структурой продукта (связь между функциональным и физическим составом продукта).

Разработка стандартов архитектуры продукта может осуществляться независимо от разработки конкретного продукта и играет ключевую роль для достижения эффекта масштаба во всей цепочке создания стоимости [4]. При проектировании архитектуры продукта важно учитывать разнообразные требования, предъявляемые к продукту или семейству продуктов. Внешние требования, такие как пожелания потребителей, законодательные нормы и ограничения поставщиков, создают проблемы в процессе проектирования архитектуры продукта [10]. Внутренние требования компании, связанные с разработкой, производством, сборкой и закупками, представляют собой еще одну область, которая требует внимания при проектировании архитектуры продукта. Различные группы требований к архитектуре продукта приведены на рисунке 1.

Рис. 1. Различные группы требований к архитектуре продукта [18]

Перспективным подходом к достижению оптимального уровня стандартизации архитектуры продукта, а значит, и производственной системы, является разработка модульных конструкторских решений в форме кросс-продуктовых архитектур. Модульные архитектуры продуктов открывают возможность достижения сходства (общности) между семействами продуктов, одновременно выполняя специфичные рыночные требования для создания поколений продуктов и достижения эффекта масштаба по всей цепочке создания стоимости [5]. Целью такого подхода является достижение баланса между выполнением требований потребителей и достижения эффекта масштаба по всей цепочке создания стоимости. Только при использовании кросс-продуктовой архитектуры можно получить отдельные производные продукта из существующих моделей быстро и с минимальными затратами. Стандартизация выполнения всех функций идентичными или похожими модулями, использование одних и тех же технологий или этапов процессов осуществляется путем специального ограничения степеней свободы функции продуктов во всех ассортиментных линейках [21]. Целью стандартизации является сокращение количества носителей функций и вариантов деталей или создание сборок с небольшим количеством вариантов. Основное внимание уделяется высокому уровню повторного использования деталей, узлов, технологий и этапов производственного процесса в цепочке создания стоимости. Решающее значение имеет понимание стандартизации как континуума: там, где невозможно использовать идентичные детали, технологии или принципы проектирования все же могут быть стандартизированы, а там, где полное равенство не может быть достигнуто, то может быть достигнуто, по крайней мере, сходство. Архитектура продукта служит для описания этих аспектов стандартизации независимо от отдельного продукта.

Модульность ассортимента продукции является особой формой стандартизации и направлена на поддержку дифференциации между моделями с низким и высоким уровнем вариативности, а также на стандартизацию интерфейсов продукта. Это обеспечивает быструю индивидуальную конфигурацию продукта с высоким уровнем использования стандартных компонентов. Модули системы характеризуются стандартизированными интерфейсами и заданным пространством для установки [11]. В разных семействах продуктов используется предварительно сконфигурированный набор компонентов или сборок, создавая разнообразие характеристик с минимальными геометрическими отличиями.

Дорожная карта продукта

Одним из центральных вопросов при проектировании архитектуры продукта является правильное определение составляющих функций (релевантных переменных) внутри архитектуры. важно точно определить составляющие функции внутри архитектуры и минимизировать степени их свободы для разных продуктов [19]. Эти составляющие характеристики могут быть определены на функциональном, геометрическом, технологическом и технологическом уровнях. Важной предпосылкой правильного определения характеристик компонентов является координация разработки компонентов с дорожной картой продукта.

Различные компоненты должны быть запланированы с учётом их жизненных циклов, которые зависят от того, насколько долго они будут соответствовать соответствующим требованиям [6]. В связи с динамикой технического прогресса, некоторые компоненты могут иметь короткий жизненный цикл перед тем, как они должны быть заменены более современными, чтобы соответствовать требованиям клиентов, в то время как другие компоненты могут служить дольше. Архитектура продукта должна быть спроектирована с учетом, что компоненты, которые будут использоваться или разрабатываться в течение определенного периода времени, могли быть интегрированы в архитектуру других продуктов ассортиментной линейки. Это означает, что составные элементы архитектуры продукта определяются таким образом, что замена или комбинация запланированных компонентов может происходить без изменения определенной архитектуры.

Требуется обширная синхронизация разработки компонентов и разработки концепции продукта, чтобы обеспечить долгосрочную совместимость компонентов и архитектуры продукта [7]. Компоненты вводятся в архитектуру продукта в соответствии с запланированным жизненным циклом изделия. Для достижения синхронизации разработки продуктов ассортиментной линейки и своевременного развития модульной архитектуры разрабатывают дорожную карту продукта. Все продукты и их производные, созданные на основе архитектуры продукта более высокого уровня, фиксируются в дорожной карте продукта (рис. 2).

Дорожная карта продукта представляет собой координатную линию времени, под которой располагается основной продукт и все его планируемые производные в зависимости от времени вывода продукта на рынок. Над линией времени располагаются модули во взаимосвязи с продуктами, в которых они будут применяться и с указанием времени их запуска в серийное производство.

Синхронизированная разработка компонентов и продуктов в архитектуре требует систематического подхода, который может быть обеспечен применением дорожной карты.

Рис. 2. Дорожная карта продукта [14]

Функциональная модель продукта

Разработка функциональной модели является систематическим процессом преобразования требований потребителей в технические характеристики изделия, которое в идеале выполняется через анализ или определение необходимых функций и их взаимосвязей [17]. Разработка функциональной модели – это ключевой инструмент для детализации требований способом, не зависящим от конкретных решений.

Основы разработки функциональной модели заключаются в описании функций, которые определяют отношения для выполнения определённой задачи на основе входов и выходов системы. Каждая функция может состоять из подфункций, совокупность которых формирует общую функцию. Связь между частичными и полной функциями определяет функциональную модель [8].

Используя функциональную модель (рис. 3), можно получить информацию о потенциальных взаимодействиях или функциональном взаимодействии благодаря систематической форме представления. Функциональная модель показывает, как подфункции связаны друг с другом посредством различных потоков. В целом потоки можно описать характеристиками типа, направления и интенсивности. Более того, из теории систем известно, что концепция функции представляет собой взаимосвязь между входными и выходными переменными. Переменные потока могут иметь форму вещества (например, газообразных, жидких или твердых тел, компонентов и т. д.), энергии (например, тепловой, оптической, электрической энергии) или информации (данные, управляющие сигналы, измеряемые переменные и т. д.). Следовательно, функциональные интерфейсы или отношения могут иметь энергетическую, материальную или информационную природу [21].

Кроме того, в рамках функциональной модели общая функция иерархически разбивается на более подробные подфункции, при этом в каждом случае необходимо уточнять, в какой степени они должны быть декомпозированы. Поскольку цель состоит в том, чтобы на следующем этапе провести декомпозицию физические компонентов по подфункциям, применяют критерий обеспечения удовлетворённости требования потребителя [9].

Рис. 3. Создание функциональной модели путем разделения общей функции на частные функции [12]

Степень новизны задачи и последующий процесс поиска решения определяют соответствующую детализацию общей функции до уровней подфункций и их количества на каждом уровне. В случае совершенно новых разработок отдельные подфункции и их взаимосвязи неизвестны. Поэтому поиск и создание оптимальной функциональной структуры является одним из наиболее важных шагов на этапе разработки концепции. Однако в случае адаптивного проектирования структура изделия, состоящая из его узлов и отдельных элементов, в основном известна. Анализируя продукт, подлежащий дальнейшей разработке, можно установить функциональную структуру. В соответствии с конкретными требованиями перечня требований функциональная модель может быть модифицирована путем варьирования, добавления или исключения отдельных подфункций и изменения их состава. Эта процедура при создании функциональной модели также дает то преимущество, что известные подсистемы продукта или вновь разработанные подсистемы могут быть четко определены и обработаны отдельно. Известные сборки напрямую присваиваются соответствующим сложным подфункциям, а затем разрушение функциональной модели прерывается на высоком уровне сложности. При этом структурирование на подфункции для дальнейших или вновь разрабатываемых узлов изделия осуществляется по убыванию сложности до тех пор, пока поиск решения не окажется перспективным. Поскольку функциональная модель адаптирована к степени новизны задачи, работа с функциональными моделями также экономит время и затраты [15].

Важность функциональной модели для разработки архитектуры продукта является неоспоримой. Систематический пересмотр функциональной модели влияет на степень универсальности среди различных продуктов и семейств продуктов. Функции декомпозируются в так называемые функциональные модули, где отдельные функции с определёнными характеристиками закрепляются за соответствующими семействами продуктов, как показано на рисунке 4.

Вариативность функций представляет собой трехмерную модель, которая определяет вариант продукта, реализуемую функцию и проявление функции при использовании продукта. Определение функций по трем осям позволяют собрать функциональные блоки, совокупность которых затем образует семейство продукта.

Функциональным блокам назначаются соответствующие требования потребителей, а функциональные блоки, в свою очередь, декомпозируются на конкретные компоненты.

Такой подход обеспечивает прозрачность в отношении общего числа функциональных вариантов и характеристик во всех семействах продуктов. Это эффективно препятствует ненужной параллельной разработке похожих функций, которая обычно ведёт к созданию слегка отличающихся компонентов [16]. Скрытые общие черты становятся очевидными, когда требования трансформируются в функции, что приводит к повышенному уровню стандартизации на уровне компонентов и, как следствие, к экономии за счёт масштаба в цепочке создания стоимости.

Рис. 4. Представление вариативности функций [13]

Формулировка функций системы должна быть максимально независимой от конкретных решений, чтобы разработчики не углублялись в детали и не пропускали потенциально значимые подходы к решению. В зависимости от целей проекта подходят различные методы функционального моделирования. Основные подходы к разработке функциональной модели включают определение требований потребителей к продукту, потоки системы (материал, энергия или сигналы), виды связей между функциями или логические взаимосвязи.

В зависимости от типа функциональной модели возможно применение разных форм представления (табл. 1) [20]. В списке функций подфункции отображаются независимо друг от друга. Благодаря иерархической структуре различные функции могут быть разделены в порядке ранжирования, и с помощью сетевой структуры отображаются сложные отношения между функциями.

Таблица 1. Представления функциональных структур [20]

С помощью функционального моделирования, ориентированного на пользователя, можно наметить различные варианты использования продукта, чтобы определить проблемы, которые могут возникать при эксплуатации системы. Благодаря такому моделированию все этапы жизненного цикла продукта могут быть учтены на ранней стадии проектирования системы.

При разработке функциональной модели с акцентом на взаимосвязи внутри системы можно чётко определить связи в форме сети. Полезные функции, например, такие как «преобразование электрической энергии во вращательное движение», и вредные функции, например, «перегрев корпуса», связаны определёнными взаимосвязями. Такое представление может быть очень сложным, поскольку каждая функция может иметь связи с другими функциями. Поэтому рекомендуется следовать принципу «от общего к частному», так как цель функционального моделирования — не полный охват всех причинно-следственных связей, а обеспечение представления системы с уровнем детализации, соответствующим поставленной задаче.

Заключение

Подводя итог, функциональная модель является ключевым методом при переводе требований в структуру продукта и важным инструментом для раннего и систематического анализа потенциала стандартизации, унификации и дифференциации продукта. Абстракция позволяет упростить индивидуальную информацию до более общих и абстрактных концепций. Такой подход сохраняет глобальный взгляд на проблему проектирования изделия, обеспечивая целостный подход и в то же время предотвращает фиксацию на известных решениях и процессах.

На основании вышесказанного дальнейшие исследования должны лежать в области более глубокой проработки модульного проектирования изделия, выявления требований потребителей и преобразования их функциональные блоки семейства продуктов.