5.4.1. Что такое функциональный анализ продукта?

Функциональный подход к продукту – метод анализа свойств продукта, основанный на представлении продукта как совокупности моделей объекта. В рамках функционального подхода выделяются 2 основных этапа:

1-й этап – этап последовательного построения моделей объекта анализа (компонентной, структурной, функциональной, потоковой);

2-й этап – этап исследования моделей.

Рассмотрим содержание этих этапов. Построение моделей обычно начинают с компонентной модели. Этот вид модели показывает, какие компоненты (узлы, сборочные единицы, детали, отдельные элементы деталей) входят в состав анализируемого технического объекта или системы и в каком соподчинении они находятся. При ее создании используют данные, содержащиеся в технической документации на объект (чертежи, спецификации, технологические карты, перечни оборудования и др.). В случае несложных малогабаритных объектов желательно произвести разработку и сборку натурного образца, ознакомиться с операциями технологического процесса. Компонентную модель объекта рекомендуется строить только по верхнему иерархическому уровню. Когда объектом рассмотрения является какая-либо подсистема, в компонентную модель могут включаться элементы более низкого иерархического уровня.

При этом целесообразно сначала сформировать исходную модель объекта на основе ее иерархической структуры, включая в нее элементы, входящие в объект анализа, а затем скорректировать ее по результатам структурного и функционального анализа. Так, если объектом функции в модели оказался элемент более низкого иерархического уровня, то элемент – носитель этой функции следует включить в качестве подсистемы в состав функционально связанного с ним элемента верхнего уровня.

Например, исходная функция пластмассовой втулки подшипника алюминиевого корпуса мясорубки – удерживать шнек. Функциональный анализ показывает, что эта функция должна быть сформулирована для двух объектов: F1 – удерживать вал шнека в радиальном направлении относительно корпуса, F2 – удерживать витки шнека в осевом направлении относительно корпуса. Так как вал и витки мясорубки являются подсистемами шнека, то при построении уточненной компонентной модели мясорубки втулка должна быть включена либо в шнек, либо в корпус, с которым она связана функционально.

К построенной компонентной модели объекта пристраивают элементы над системы, с которыми объект взаимодействует. Поскольку на разных стадиях жизненного цикла объект входит в разные над системы и, следовательно, взаимодействует с разными элементами, то компонентная модель формируется отдельно для каждой стадии жизненного цикла.

Типовыми элементами над системы являются:

1) на стадии производства – оборудование, оснастка, материалы, комплектующие изделия, производственные помещения и др.;

2) на стадии эксплуатации – объект функции, пользователь (потребитель) или его элементы, системы, взаимодействующие с элементами верхнего уровня анализируемого объекта. Например, при построении компонентной модели мясорубки на стадии эксплуатации к модели пристраивают элементы над системы: объект функции – продукт (мясо, рыба, овощи и др.), пользователь – руки человека, другие элементы над системы, взаимодействующие с элементами мясорубки: вода для мытья, стол, посуда для продукта и фарша, нож для нарезания продуктов и прочее;

3) на стадии хранения и транспортировки – транспортные и грузоподъемные средства, упаковка, складские помещения, средства консервации и др. На всех стадиях в компонентную модель включается внешняя среда, с которой взаимодействует объект анализа (воздух, вода, частицы пыли, тепловое, гравитационное, механические поля и др.).

Структурная модель объекта строится на основе данных компонентной модели путем установления связей элементов объекта друг с другом и элементами надсистемы, либо графически – путем включения выявленных связей в компонентную модель, либо в виде матрицы, элементами столбцов и строк которой являются элементы объекта и его надсистемы. На пересечении строк и столбцов фиксируется наличие соответствующих связей.

Структурные модели, как и компонентные, формируются отдельно для каждой стадии жизненного цикла. При этом фиксируются все возможные связи для любой штатной или нештатной ситуации анализируемой стадии жизненного цикла объекта. Установленные связи характеризуются комментариями к модели, объясняющими сущность каждой связи и ситуации, в которой она проявляется. Анализ связей между элементами системы и надсистемы на всех стадиях жизненного цикла и во всех рассмотренных ситуациях позволяет выявить дополнительные функции объекта.

Например, при построении структурной модели ручной мясорубки на стадии эксплуатации установлена связь между рукой человека и гайкой, прижимающей решетку к ножу. Эта связь проявляется в штатных ситуациях: при сборке (подготовке мясорубки к работе) и разборке после окончания работы, а также в нештатной ситуации – при подкручивании гайки в процессе работы мясорубки при ослаблении прижима решетки к ножу.

По результатам анализа выделяют связи вещественные (непосредственные, контактные) и полевые (бесконтактные). Полевые связи соответствуют типовым физическим и техническим полям: механическим полям, акустическим, тепловым, электромагнитным, гравитационным и др. Вещественные и полевые связи, как правило, являются двусторонними, поскольку характеризуют взаимодействие элементов. Исключением являются информационные связи, являющиеся односторонними. Например, связь очков с носом и ушами – вещественная, а связь с глазами – полевая информационная (оптическая) – односторонняя.

При анализе связей проводится также их предварительная функциональная оценка: связи подразделяются на полезные, вредные, нейтральные; например, вещественная связь между ножом и решеткой мясорубки – полезная, так как обеспечивает измельчение продукта (нож и решетка составляют режущую пару), и в то же время вредная, так как приводит к истиранию и нагреву режущей пары. Между двумя элементами структурной модели может быть несколько различных связей; например, в аппарате местного освещения между включателем и клеммником высокого напряжения существует как электрическая, так и механическая связь. Если в структурной модели какой-либо элемент объекта непосредственно связан только с одним из остальных элементов, то он исключается из модели и рассматривается как подсистема того элемента, с которым он связан. Если в первоначальном варианте структурной модели какой-либо элемент не связан ни с одним элементом объекта, то его следует вообще исключить из модели.

Модели материальных потоков строятся на основе результатов структурного анализа для каждого вида потока, протекающего в анализируемом объекте. Например, для мясорубки строятся модель потока вещества (продукта) и модель потока механической энергии (усилий). Модели строятся в виде графических цепочек, отражающих прохождение материальных потоков между элементами объекта и его наденете – мы. Каждый участок потока сопровождается комментариями, объясняющими направление потока, его величину, изменения и др.

Например, в модели потока механической энергии в мясорубке механическая энергия передается от шнека к корпусу по четырем параллельным цепочкам с соответствующей долей потока: через продукт – 10 %, непосредственно (через втулку корпуса) – 5 %, через решетку и гайку – 5 %, через нож, решетку и гайку – 80 %.

Функциональная модель объекта строится на основе данных функционального анализа и включает главную функцию объекта, комплекс дополнительных функции, а также основные и вспомогательные функции, обеспечивающие выполнение главной функции. Ранг вспомогательных функций, включаемых в функциональную модель, определяется уровнем самой модели.

Возможны три уровня функциональной модели:

1) обобщенная, отражающая только главную, основные и дополнительные функции независимо от принципа действия объекта и его вещественного (конструктивного, технологического и т. п.) воплощения. Такие модели рекомендуется строить при проведении функционального анализа объектов, не имеющих прямых аналогов, например модель устройства, выполняющего функцию «преобразовывать ток»;

2) модель принципа действия, отражающая иерархию функций объекта, соответствующих его принципу действия, но абстрагированных от конкретного вещественного воплощения, например функциональная модель трансформатора на принципе электромагнитной индукции;

3) модель конкретного объекта, отражающая иерархию функций, соответствующих анализируемому вещественному воплощению объекта, например, модель лабораторного автотрансформатора.

Чтобы реализовать совокупность потребительских свойств объекта, отраженных в его функциональной модели, с помощью минимального числа элементов модель преобразуют в функционально идеальную. Уменьшение количества элементов объекта достигается процедурой функционально идеального моделирования (свертывания). Например, в функциональной модели очков исключаемый элемент – дужки, функция которых – удерживать линзы (перед глазами). Формулировки свертывания: дужки можно исключить, если линзы либо отсутствуют (свет фокусируется, например, искусственным хрусталиком), либо сами удерживаются перед глазами (напр., контактные линзы), либо их удерживают перед глазами другие элементы очков (как, например, в конструкции пенсне) или надсистемы (например, в монокле линза удерживается глазницей, а в лорнете – рукой)

Технология построения функциональной модели. В последнее время при построении функциональных моделей объекта в основном применяется методика FAST, предложенная специалистами США и основанная на использовании определенных тестовых вопросов для упрощения формулирования функций и проверки логической взаимосвязи между ними. Разновидности этой методики различаются количеством (от двух до девяти) и содержанием вопросов, а также правилами построения диаграммы.

Наиболее распространен вариант методики FAST, использующий вопросы «как?», «почему?» («зачем?»), «когда?», или в более полной форме:

1) «Как осуществляется данная функция»,

2) «Почему (зачем) осуществляется данная функция»,

3) «Когда осуществляется данная функция»

Отвечая на 1-й вопрос, можно сформулировать или проверить расположение функций, подчиняющихся исследуемой в данный момент. Отвечая на 2-й вопрос, формулируют или проверяют расположение функции, находящихся на более высоком уровне по отношению к исследуемой в настоящий момент функции. Ответ на 3-й вопрос позволяет правильно расположить на диаграмме FAST функции, осуществляемые одновременно с другими, место которых на диаграмме уже определено. Критический путь включает наиболее важные внутри-объектные функции. (Отдельные описания допускают существование нескольких критических путей.)

Помимо графического используются и другие способы представления функциональных моделей объекта, среди которых наибольшее распространение получили матрицы взаимосвязи «функция – функция», отражающие зависимость общеобъектных функций от функций, не имеющих прямого внешнего проявления (внутриобъектных функций), а также матрицы «функция – элемент», отражающие участие отдельных элементов объекта в выполнении ими своих функций. Недостаток матричной формы построения функциональной модели объекта связан с трудностью исследования сложных объектов, содержащих большее число структурных элементов и способных выполнять десятки или сотни функций.

Практика показывает, что уже на этапе построения функциональной модели объекта возникают предложения по совершенствованию исследуемого объекта. Считается, что функции объекта сформулированы правильно, если они не включают в себя указаний на конкретный вариант их выполнения. Это предотвращает возникновение у исследователя психологических барьеров мышления и упрощает нахождение новых альтернатив выполнения функций.