Алгоритм проведения функциональноэкологического проектирования технических систем

Алгоритм ФЭП разделяется на четыре этапа: информационно-подготовительный, аналитический, поисково-исследовательский, разработки и внедрения.

На информационно-подготовительном этапе происходит определение конкретных задач по ведению ФЭП, составление рабочего плана, утверждение состава рабочей группы, сбор и систематизация информации об объекте исследования, изучение аналогов, исследование условий эксплуатации и т.д. Решения, принятые на данном этапе, во многом определяют дальнейший алгоритм проектирования. Наиболее важным представляется определение цели проектирования с точки зрения новизны изделия. По степени новизны изделия цели проектирования принято подразделять на пять групп:

– группа Л (текущая модернизация) – повышение экологического и технического уровней серийно выпускаемой техники без значительных конструкционных изменений;

– группа Б (модификация) – введение в базовую техническую систему изменений, обеспечивающих ее использование для специальных работ;

– группа В (коренная модернизация) – введение значительных конструкционных изменений, приводящих к качественным изменениям экологических и технических характеристик;

– группа Г (новая конструкция) – создание новой базовой конструкции взамен существующей;

– группа Д (принципиально новая конструкция) – создание новой экологически безопасной технической системы на основе нетрадиционных и неизвестных раннее технических решений.

В зависимости от цели исследования на аналитическом этапе проектирование начинается с построения либо структурной, либо функциональной модели (группы).

Очевидно, что при модернизации или модификации технической системы можно проанализировать ее структуру, так как она уже существует. По этой причине в данном случае вместо ФЭП чаще используют более корректный для групп А и Б функционально-экологический анализ (ФЭА).

Структурная модель включает элементы объекта анализа, а также описание направленных потоков между элементами самой системы и потоков между элементами технической системы и элементами надсистемы (рис. 6.4).

При создании новой конструкции начинают с построения функциональной модели в виде графа, для чего определяют главную и второстепенные функции технической системы, основные функции и при более детальной проработке вспомогательные функции.

Следующим шагом является построение совместной структурно-функциональной модели объекта. Если уже есть структурная модель, то для создания функциональной модели технической системы необходимо сформулировать

Рис. 6.4. Структура функционально-экологического проектирования:

И – информационно-подготовительный этап; Л – аналитический этап; ФЛ – функциональный анализ; СЛ – структурный анализ; ФИМ – функционально-идеальное моделирование; ПИ – поисково-исследовательский этап; РВ – этап разработки и внедрения

главные функции по каждому анализируемому элементу, а также произвести ранжирование функций с определением главной функции системы.

Каждый элемент структурно-функциональной системы может быть увязан с соответствующими материальными носителями, что дает возможность оценить экологический ущерб от реализации каждой функции и затраты на их реализацию. Сопоставительный анализ значимости функции, экологического ущерба и затрат с последующим построением функционально-экологической диаграммы позволяет сформулировать задачи совершенствования объекта на последующих этапах ФЭП.

Таблица 6.1

Классы экологического ущерба в зависимости от превышения допустимых уровней различных факторов (в дБ)

Фактор	Класс экологического ущерба
	оптимальный	допустимый	вредный				опасный
	0	1	2	3	4	5	6
Шум	Фоновый	<ПДУ	5	15	25	35	>35
Вибрация локальная (эквивалентный корректированный уровень виброскорости)		<ПДУ	3	6	9	12	> 12
Вибрация общая (эквивалентный корректированный уровень виброскорости)		<ПДУ	6	12	18	24	>24
Инфразвук	Фоновый	<ПДУ	5	10	15	2	>20
Ультразвук воздушный	Фоновый	<ПДУ	10	20	30	40	>40
Ультразвук контактный	–	< ПДУ	5	10	15	20	>20

Для построения функционально-экологической диаграммы необходимо четко определить показатель экологической значимости для количественной оценки технической системы, т.е. определить экологическую единицу для данной системы. За экологическую единицу может быть принят экономический показатель (например, на основе штрафных санкций), технический показатель (выраженный в виде физической величины) или специально разработанный для данной системы интегральный показатель. При невозможности выявления количественного показателя для экологической единицы, целесообразно использовать вместо нее оценки экспертов.

Для определения экологического ущерба может быть использована методика экспертных оценок при поддержке специально разработанного алгоритма определения класса экологического ущерба технической системы.

По данной методике каждому виду вредного воздействия исходя из числовых параметров присваивается один из 6 классов: нулевой (оптимальный), первый (допустимый), второй (1-й вредный), третий (2-й вредный), четвертый (3-й вредный), пятый (4-й вредный), шестой (опасный).

В табл. 6.1 приведены классы в зависимости от превышения уровней шума, локальной и общей вибрации, инфра- и ультразвука. В табл. 6.2 приведены классы экологического ущерба в зависимости от содержания в воздухе вредных веществ и в зависимости от выбросов вредных веществ в атмосферу.

Таблица 6.2

Классы экологического ущерба в зависимости от превышения допустимых концентраций (выбросов) вредных веществ [в ед. кратности ПДК (ПДВ)]

Вредные вещества	Класс экологического ущерба
	оптимальный	допустимый	вредный				опасный
	0	1	2	3	4	5	6
Вредные вещества 1–4 классов опасности, за исключением перечисленных ниже	Фоно вый	< ПДК (ПДВ)	1,1-3,0	3,1-10,0	10,1-15,0	15,1-20,0	>20,0
Вещества опасные для развития острого отравления с остронаправленным механизмом действия, хлор, аммиак	0	<ПДК (ПДВ)	1,1-2,0	2,1-4,0	4,1-6,0	6,1-10,0	> 10,0
Вещества опасные для развития острого отравления раздражающего действия	0	<ПДК (ПДВ)	1,1-2,0	2,1-5,0	5,1-10,0	10,1-50,0	> 50,0
Канцерогены; вещества, опасные для репродуктивного здоровья человека	0	<ПДК (ПДВ)	1,1-2,0	2,1-4,0	4,1-10,0	10,1-20,0	>20,0
Аллергены высоко опасные	0	<ПДК (ПДВ)	–	1,1-3,0	3,1-15,0	15,1-20,0	>20,0
Аллергены умеренно опасные	0	< ПДК (ПДВ)	1,1-2,0	2,1-5,0	5,1-15,0	15,1-20,0	> 20,0

После определения классов экологического ущерба отдельных потоков определяется общая оценка по наиболее высокому классу. В случае сочетания трех и более факторов, относящихся к классу 2, общая оценка системы соответствует классу 3, а при сочетании двух и более факторов, относящихся к классам 3, 4, 5, – общая оценка выставляется на одну степень выше.

Значимость каждой функции определяется экспертным путем, в простейшем случае – путем проставления оценок. Для функционально-экологического анализа любой технической системы может быть использован метод расстановки приоритетов (метод попарных сравнений), основанный на особых формах экспертизы и матричной записи. Эксперты высказывают свои суждения путем парных сравнений вариантов технических решений по каждому из частных критериев с помощью шкалы определений уровня значимости (табл. 6.3).

Таблица 6.3

Шкала относительной значимости

Уровень значимости	Значение уровня
Равная значимость	1
Умеренное превосходство	3
Существенное или сильное превосходство	5
Значительное (большое) превосходство	7
Очень большое превосходство	9

Коэффициенты значимости вычисляют по формуле

где п – размер матрицы сравнений; – количественное значение уровня значимости i-й функции по отношению к j-й.

Стоимость реализации каждой функции рассчитывается на основе стоимости материального носителя данной функции. Различные методики определения затрат на реализацию функции разработаны в рамках алгоритма функционально-стоимостного анализа (ФСА).

Одним из ключевых моментов ФЭП является построение функционально-идеальной модели (ФИМ) и определение идеального конечного результата (ИКР) для функции. Под ИКР понимают требуемое или желаемое состояние объекта.

Понятие ФИМ несколько шире. Это образ (гипотеза, метафора), содержащий представление о том, как должен функционировать объект, чтобы достичь ИКР. Поэтому чаще формулируют ФИМ, в которой неявно задан ИКР.

ИКР представляет ситуацию, когда функция элемента технической системы выполняется, а сам элемент отсутствует. Существует три основных варианта достижения этой цели: повышение многофункциональности элементов технической системы; сворачивание частей системы в рабочий орган; передача функции элементу надсистемы (в конечном случае надсистемой будет окружающая природная среда).

На поисково-исследовательском этапе современными методами инженерного творчества вырабатываются идеи и предложения по реализации функций и совершенствованию технической системы.

Методами инженерного творчества, использование которых может обеспечить наилучший результат при проектировании экологически безопасных систем, являются:

1. Алгоритмические методы. К ним относится, например, теория решений изобретательских задач (ТРИЗ), опирающаяся на следующие фундаментальные принципы:

– ключ к решению проблем – выявление и устранение системного противоречия;

– изобретательских задач бесчисленное множество, а типов системных противоречий сравнительно мало;

– существуют типичные системные противоречия и типовые приемы их устранения.

2. Методы повышения эффективности творческой деятельности. Самым известным из них является мозговой штурм, суть которого заключается в запрете любой критики на этапе генерации идей, что позволяет преодолевать часто мешающий принятию оптимального решения вектор психологической инерции. Существует несколько менее известных методов:

– синектический метод, активаторами творческого процесса в котором являются четыре механизма: личная, прямая, символическая и фантастическая аналогии;

– метод фокальных объектов, сущность которого состоит в перенесении признаков случайных объектов на исследуемую техническую систему.

Выдвинутые идеи оценивают на практическую реализуемость. На основе экспертных оценок выбираются 2–3 варианта исполнения основных функций и уточняются формулировки вспомогательных функций. Отобранные варианты реализации основных и вспомогательных функций подлежат исследовательской и конструкторской проработке для определения наиболее экологически и экономически целесообразных, т.е. обеспечивающих эффективное выполнение полезных функций технической системы с минимальным числом компонентов, а также минимальными экологическим ущербом и стоимостью.

Результаты исследований оформляются по каждому варианту пояснительной запиской с указанием условий их внедрения с соответствующими эскизами и чертежами, диаграммами, расчетами.

На этапе разработки и внедрения происходит окончательный выбор варианта исполнения технической системы и оформляются рекомендации ФЭП для дальнейшей ее разработки.