126 Л и т е р а т у р а 1. 40 Years of Innovations, NASA Tech Briefs. 1998. – April. 2. Джонс Дж. К. Методы проектирования. – М.:Мир, 1986. 3. Герасимов В.М., Литвин С.С. Зачем технике плюрализм (развитие альтерна- тивных технических систем) // Теория решения изобретательских задач. Т. 1. – 1990. 4. Lysenko V., Zimmermann K. Methode für Schaffen der Erfindungen und neuen Funktionierungsprinzipien von technischen Systemen während Vorentwurfsforschungen 44. Internationalen Wissenschaftlischen Kolloquium. – Ilmenau: TU, 1999. 5. Lysenko V. Methoden zur Verbesserung von Antriebssystemen auf der Basis der Modellierung der Bewegungen des Regenwurms // Biona-report. – 1997. – N 13. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ МЕНЕДЖМЕНТА КАЧЕСТВА В ПОВЫШЕНИИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ В.К.Терешко, зам. директора по менеджменту НПО «Фенокс»; П.С.Серенков, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой СМИС; В.М.Романчак, кандидат физико-математических наук, Белорусский национальный технический университет Вопросы эффективности метроло- гического обеспечения испытаний ста- новятся все более актуальными. Этому способствовал ряд причин, появивших- ся относительно недавно. Во-первых, – стратегическая концепция междуна- родных метрологических организаций, фактически направленная на повыше- ние эффективности испытаний за счет взаимного признания результатов и со- кращения процедур испытаний. Во- вторых, темпы технического перево- оружения в ряде областей промышлен- ности начинают значительно опережать действующие стандартизованные ме- тодики испытаний, оперативное изме- нение которых затруднено в силу объ- ективных причин. Поэтому все чаще приходится сталкиваться с ситуацией, когда метрологические службы про- мышленных предприятий вынуждены на основании предписанных процедур проводить ресурсоемкие, малоэффек- тивные испытания продукции исклю- чительно в силу «законопослушности» исполнителя. Такие испытания обычно сужают до минимума, необходимого для выполнения нормированных про- цедур. Тем самым ограничивается ин- формативность испытаний, их цен- ность как источника данных о качестве испытуемых объектов. Разработка методик испытаний продукции и процессов, альтернатив- ных стандартизованным, предполагает предоставление объективных доказа- тельств их адекватности и воспроизво- димости результатов второй (потреби- телю) или третьей (уполномоченному органу) стороне. Решение этой проблемы, удовле- творяющее все заинтересованные сто- роны, должно основываться, прежде всего, на принципах системности и комплексности. Необходимо реализо- вать эти принципы в полной мере, так как испытания – это деятельность, сложно структурированная по функци- ям и ресурсам. Очевидно, что начинать следует с построения функциональной 127 модели испытаний. Мы предлагаем на этом этапе реализовать «процессный подход» к испытаниям по аналогии с подходом к менеджменту качества слож- ного объекта (4-й принцип менеджмен- та качества, СТБ ИСО 9001-2001). В со- ответствии со второй аксиомой ме- неджмента качества Э. Деминга «лю- бой процесс контроля (испытаний) и управления надо рассматривать как обычный технологический процесс, ко- торый подлежит системному планиро- ванию, обеспечению, управлению и улучшению» [1]. Это означает, что при разработке процесса испытаний для до- стижения поставленных целей (досто- верности результатов, эффективности и т.п.) следует руководствоваться прин- ципами, подходами, информационны- ми технологиями, используемыми в менеджменте качества [2]. Функциональная модель процесса испытаний используется как инстру- мент, позволяющий в необходимой и достаточной мере прояснить структуру всего комплекса операций, необходи- мых для достижения требуемой резуль- тативности и эффективности. Функци- ональная модель испытаний обладает рядом свойств, из которых можно вы- делить важнейшие. Во-первых, в ней устанавливаются отношения между различными по своей природе элемен- тами (материалами, данными, оборудо- ванием, персоналом, управленческими решениями и документами и т.п.), со- ставляющими деятельность, во-вторых, она позволяет абстрагироваться от природы этих элементов и представить деятельность в виде наборов взаимо- связанных между собой функций [3, 4]. Функциональная модель делает процедуру испытаний «прозрачной» в отношении задействованных в ней эле- ментов (управляемых и неуправляемых входных параметров, операций, ресур- сов и самого объекта). Она позволяет понять сущность процесса, включая структуру, взаимосвязи элементов мо- дели между собой и их влияние на ре- зультаты испытаний и показатели эф- фективности (рис. 1). Задаваемые входные параметры (управляемые) Регистрируемые результаты испытаний Процедура испытаний Ресурсы: • оборудование; • персонал; • другое Факторы условий испытания (неуправляемые) Объект испытаний Объект испытаний Реализовать процедуру испытаний Показатели эффективности испытаний Рис. 1. Функциональная модель испытаний (контекстная диаграмма верхнего уровня) 128 Предлагаемый подход был впервые применен в рамках научно-техниче- ского сотрудничества между научно- производственным объединением «Фе- нокс» (НПО «Фенокс») и Белорусским национальным техническим универси- тетом (БНТУ). Характер деятельности НПО «Фе- нокс» – производство элементов для отечественных и зарубежных авто- транспортных средств (узлы тормозных систем, системы сцепления и т.п.). Дея- тельность включает проектирование, изготовление комплектующих и сборку изделий. Предприятие сертифицировало свою систему менеджмента качества в соответствии с требованиями QS 9000. Производимые НПО элементы ав- тотранспортных средств соответствуют требованиям стандартов разных кате- горий: • межгосударственных (ГОСТ 22895; ГОСТ 23181, ГОСТ 29015, ГОСТ 30731-2001); • отраслевых (ОСТ 3805208; РД 37.01.603); • международных (правила ЕЭК ООН №13; ISO 6118 и др.). НПО «Фенокс» имеет испытатель- ный центр «КАЧЕСТВО», аккредито- ванный Госстандартом Беларуси на пра- во проведения сертификационных испы- таний элементов тормозных систем и си- стем сцепления транспортных средств. Значимость цилиндров гидроприво- да тормозов с точки зрения обеспечения безопасности дорожного движения за- ставляет разработчиков и производите- лей изделий подтверждать, что выпус- каемые изделия обеспечивают требуе- мый уровень всех критических (влияю- щих на безопасность) свойств. Приемо- сдаточным испытаниям по критиче- ским свойствам должно подвергаться каждое изделие. Действующая методика испытаний цилиндров гидропривода тормозов предполагает моделирование реальных условий эксплуатации – про- ведение гидравлических испытаний с использованием тормозной жидкости давлением Р = 20 МПа в течение 2 мин. Критериями годности при гидравличе- ских испытаниях являются отсутствие утечек и падение давления в процессе испытаний не более чем на 1 МПа. Такие испытания с непосредствен- ным моделированием реальных условий эксплуатации достаточно длительные, дорогостоящие. После процедуры испы- таний с использованием тормозной жид- кости теряются потребительские свой- ства продукции по внешнему виду, сро- кам хранения и т.п. Для их восстановле- ния требуется дополнительная предпро- дажная подготовка, а значит, дополни- тельные ресурсы. Поэтому перед пред- приятием остро встала задача разработки эквивалентного метода испытаний, поз- воляющего быстро, с минимальными за- тратами, без потери потребительских свойств изделия подтвердить соответ- ствие параметров, определяющих без- опасность. При этом вероятность того, что эквивалентный метод не выявит наличия имеющегося дефекта, должна быть сведена к минимуму. Из практики испытаний подобного рода изделий известно, что наиболее приемлемой заменой гидравлических ис- пытаний являются пневматические ис- пытания, то есть гидроцилиндры испы- тываются не с помощью тормозной жид- кости под давлением, а с помощью сжа- того воздуха, по степени утечки которо- го можно судить об их герметичности. Предложенная нами новая форму- лировка задачи следующая: «Разработать альтернативную ме- тодику пневматических испытаний, эк- вивалентных аттестованной методике гидравлических испытаний гидроци- линдров. Риск потребителя должен со- ставить не более β = 0,00005». 129 Очевидно, что основная сложность данной задачи определяется жестким уровнем риска потребителя β=0.00005, который был задан заказчиком. Различия свойств рабочего тела, не- предназначенность цилиндров к работе в пневмосистеме приводят к тому, что традиционный подход, когда объект ис- пытаний рассматривается как «черный ящик», на вход которого подаются предписанные значения входных пара- метров, а на выходе регистрируются значения результирующих параметров, неприемлем. Задачу надо рассматривать шире в отношении количества и каче- ства влияющих факторов, определяю- щих методику оценки параметров гер- метичности гидроцилиндров. Для решения поставленной задачи с помощью методологии IDEF0 [3] бы- ла составлена функциональная модель испытаний гидроцилиндров на герме- тичность пневматическим методом. Рис. 1 можно считать контекстной диа- граммой функциональной модели. Бы- ла разработана функциональная модель испытаний с декомпозицией подпро- цессов до четвертого уровня иерархии. Полная модель, которая в данной ста- тье не приводится, слишком громоздка и имеет частный характер, интересный только узкому кругу специалистов. Анализ модели позволил четко определить всю «систему испытаний», включающую операции, ресурсы, управ- ляющие факторы (условия испытаний), а также их взаимосвязи и взаимозави- симости. Реализация процессного под- хода на начальном этапе позволила ис- следовать сущность испытаний, что со- ответствует принципам робастного проектирования параметров процессов Г. Тагучи [5]. Анализ модели прово- дился методами экспертной оценки. Системный подход к решению данной задачи дал возможность с га- рантией определить и зарегистрировать весь комплекс влияющих факторов. Было установлено, что наиболее влия- ющими на результаты испытаний гер- метичности пневматическим методом являются следующие факторы: давле- ние воздуха (Р), время выдержки под давлением (Т), падение давления воз- духа за время выдержки (ΔР). Осталь- ные факторы (свойства воздуха, утечки во всей системе, различие в динамике истечения воздуха и жидкости и т.д.), влияние которых на качество пневма- тических испытаний были признаны экспертами малозначимым, на первом этапе не учитывались. Тем не менее все выявленные факторы были зарегистри- рованы и в случае необходимости (по результатам последующего дисперси- онного анализа) могли быть использо- ваны для разработки методики испыта- ний как управляющие факторы. Задача разработки эквивалентной методики пневматических испытаний по нашему мнению, может быть реше- на в 4 этапа: • формировать исследуемую вы- борку гидроцилиндров с известными параметрами безопасности; • установить условия испытаний пневматическим давлением (значения факторов), провести измерения, зафикси- ровать и обработать результаты оценить риски поставщика α и потребителя β. • провести оптимизацию методики альтернативных испытаний с примене- нием методов планирования эксперимен- та по критерию достижения значений α и β, удовлетворяющих все стороны; • аттестовать альтернативную ме- тодику испытаний. 1 этап. Необходимо сформировать партию (50…100) гидроцилиндров, идентифицированных по результатам гидравлических испытаний. В этой партии должно быть примерно 50% годных и 50% бракованных индивиду- ально идентифицированных цилин- дров. Для исключения методической составляющей, отличающей альтерна- 130 тивные пневматические испытания от гидравлических, необходимо отбирать гарантированно годные и бракованные гидроцилиндры, используя как стати- стические подходы (критерии годно- сти), так и детерминированные подхо- ды, например, основанные на коэффи- циентах запаса. С учетом достаточно жесткого риска потребителя рекомен- довано использовать второй подход. Практически это можно реализовать, например, таким образом: «годные» гидроцилиндры (первая часть партии) отбираются и идентифицируются по существующей методике, но при по- вышенном на 10% давлении жидкости (Р=22 МПа ), «негодные» (вторая часть партии) – при пониженном на 10% дав- лении жидкости (Р=18 МПа). Допуска- ется вторую часть партии формировать при предписанном существующей ме- тодикой давлении (Р=20 МПа ), чтобы не создавать «разрыва» между пара- метрами обеих частей партии. Минимальное количество образцов в партии (50) на этапе разработки аль- тернативной методики пневматических испытаний было принято потому, что в рамках такого объема выборки уже можно оценивать сходимость эмпириче- ского и теоретического распределений по критерию χ2 Пирсона (n > 50). «Негодные» (от 1 до n) и «годные» (от n+1 до N) гидроцилиндры сводят в одну партию общим объемом N = = 50…100 штук. Каждый образец снаб- жен идентификационным знаком. 2 этап. Он заключается в проведе- нии испытаний на герметичность пневматическим методом и анализе ре- зультатов испытаний уже отобранной на первом этапе партии цилиндров по методике, используемой на предприя- тии в настоящий момент: давление воз- духа Р = 3 МПа, время выдержки под давлением Т = 3 с. Условия испытаний приняты на основании практических соображений и не являются оптималь- ными в количественном и качествен- ном отношении. Регистрируемые зна- чения падения пневматического давле- ния ΔР 0 сводим в табл. 1. Т а б л и ц а 1. Идентифи- кационный номер ци- линдра Результаты гидравличе- ских испы- таний на 1-м этапе (элемент прослежива- емости) 1-е изме- рение 2-е изме- рение 3-е изме- рение 4-е изме- рение 5-е изме- рение Диапазон рассеяния при фикси- рованной доверитель- ной вероят- ности 1 негоден ΔР 011 ΔР 012 ΔР 013 ΔР 014 ΔР 015 ΔР 01 ср. ±Δ 01 2 негоден ΔР 021 ΔР 022 ΔР 023 ΔР 024 ΔР 025 ΔР 02 ср. ±Δ 02 ….. ….. …. ….. ….. ….. ….. ….. n+1 …. …. …. …. …. …. ….. …. …. …. …. …. …. N=50…100 годен ΔР 0n1 ΔР 0 n2 ΔР 0n3 ΔР 0n4 ΔР 0n5 ΔР 0n ср. ±Δ 0n 131 Примечание: Количество измерений по каждому цилиндру может быть скор- ректировано в большую или меньшую сторону (но не менее 3) в зависимости от значений неопределенности Δ 0i. Статистический анализ получен- ных данных рекомендуется проводить с помощью универсального пакета STATISTICA (StatSoft, Inc.), обеспечи- вающего решение практически всех возможных задач в разных отраслях бизнеса в части всестороннего анализа и прогноза процессов. Для получения общей картины по- строим гистограмму результатов испы- таний. Разобьем диапазон значений [ΔР 01 ср. min ; ΔР 01 ср max] на поддиапазо- ны (7…15), подсчитаем соответствую- щие частоты и построим гистограмму для всей исследуемой партии цилин- дров объемом N. Ожидаемая форма ги- стограммы приведена на рис. 2. Такая «вытянутая» форма гистограммы с «утяжеленными» концами определяет- ся методикой формирования выборки с гарантированными «негодными» и «годными» образцами. Форма гисто- граммы может соответствовать трапе- циевидному или равновероятному за- конам и даже антимодальному закону распределения случайных величин. ΔР0i ср. Число наблюдений Рис. 2 Ожидаемая гистограмма результатов пневматических испытаний отобранной (аттестованной) партии гидроцилиндров при условиях Р = 3 МПа, Т = 3 с Разделим гистограмму результа- тов испытаний всей исследуемой атте- стованной партии на две в соответ- ствии с принадлежностью к «годным» или «негодным» гидроцилиндрам. На рис. 3 они показаны разным цветом. Для обеих гистограмм законы распределения должны быть близкими к нормальным, что определяется ста- бильностью (отработанностью) техно- логического процесса изготовления и испытаний гидроцилиндров. Наиболь- ший интерес на рис. 3 представляет по- явившаяся в результате пневматиче- ских испытаний зона А – зона риска. Напомним, что эта зона была искус- ственно ликвидирована при формиро- вании партии образцов методами гид- равлических испытаний путем введе- ния коэффициентов запаса. Зона А – область таких ΔР0i ср, по значениям ко- торых гидроцилиндр при испытаниях пневматическим давлением может быть отнесен как к категории «годных», так и к категории «негодных» (рис. 3, 4). 132 ΔР0i ср. Число наблюдений «годные» цилиндры «негодные» цилиндры А Рис. 3. Ожидаемые гистограммы пневматических испытаний отобранной (аттестованной) отдельно «годных» и «негодных» цилиндров при условиях Р = 3 МПа, Т = 3 с ΔР0i ср. Критерий оценки качества образца ΔРкр Число наблюдений «годные» цилиндры «негодные» цилиндры β α β 0 α 1 Рис. 4. Подбор теоретических законов распределения пневматических испытаний отдельно для «годных» и «негодных» цилиндров и оценка рисков поставщика α и потребителя β В результате задача разработки ме- тодики альтернативных испытаний пневматическим давлением сводится к нахождению критерия оценки качества (безопасности) цилиндров – такого па- дения давления ΔРкр (при Р = 3 МПа и Т = 3 с), по значению которого мы отно- сим цилиндры к одной из двух катего- рий: «годен» или «негоден». Как следует из рис. 4, критерий ΔРкр очевиден. Это- му значению падения давления соответ- ствуют уровни риска поставщика α и по- требителя β, рассчитываемые через кван- тили законов распределения Uα и Uβ. В данном случае исходным (прио- ритетным) является риск потребителя β = 0,005%, так как он установлен заказ- чиком. По значению β легко найти 133 квантиль U β и, следовательно, коорди- нату (значение) ΔРкр. Если необходимо еще больше ужесточить риск потреби- теля, достаточно ΔРкр передвинуть со- ответственно влево вплоть до значения β = 0. После этого через ΔРкр. легко найти квантиль Uα , и, следовательно, α – риск поставщика. Может оказаться, что риск поставщика будет неприемле- мо велик, т. е. большой процент годных цилиндров будет при этом забракован. 3 этап. Если установленное соотно- шение α и β не удовлетворяет какую- либо сторону, предприятию-поставщи- ку необходимо продолжить моделиро- вание данного процесса испытаний пневматическим давлением, используя методику робастного проектирования параметров процессов Г. Тагучи. Даль- нейшие исследования должны быть направлены на поиск таких параметров процесса испытаний (для начала – тех же управляющих условий Р и Т), кото- рые при фиксированном β = 0,005% позволят уменьшить α – риск постав- щи-ка – до удовлетворительных значе- ний. Здесь рационально использовать методы планирования эксперимента – DOE. Цель – найти такие условия про- ведения испытаний гидроцилиндров, при которых будет иметь место при- близитель-но следующая картина рас- пределения «годных» и «негодных» цилиндров (рис. 5). ΔР0i ср. β = 0 α = 0 Число наблюдений «годные» цилиндры «негодные» цилиндры Критерий оценки качества ΔРкр Рис. 5. Идеальный случай сочетания параметров испытаний Р и Т, при которых риски поставщика и потребителя практически отсутствуют Конкретная методика планирования экс- периментов и последующей обработки ре- зультатов, в наибольшей степени подходящая для данного случая, может быть определена по результатам этапов 1 и 2. Можно предло- жить три основных техники ее реализации: • симплексное планирование (ме- тод «крутого восхождения») как наиболее быстрый метод, хотя наиме- нее информативный; • ортогональное планирование по методике Г. Тагучи с использованием анализа понятия «сигнал – шум» [5]; • полнофакторное планирование с последующим регрессионным анали- зом (наиболее информативный метод). Последние две техники предпочти- тельны, так как их реализация позволя- ет на основании дисперсионного ана- лиза ответить на очень важный вопрос: 134 все ли влияющие факторы (условия ис- пытаний) учтены. В зависимости от ре- зультатов дисперсионного анализа мо- жет быть принято решение о включе- нии в состав оптимизируемых факто- ров дополнительных управляющих факторов (условий испытаний) из пол- ного комплекса, полученного по ре- зультатам анализа функциональной мо- дели испытаний. Возможна ситуация, когда в резуль- тате планирования эксперимента и об- работки его результатов не удастся найти сочетание оптимальных значений управляющих условий испытаний, обес- печивающих заданный риск потребите- ля β = 0,005%. Это означает, что рас- сматриваемая «система испытаний» с высокой вероятностью не в состоянии обеспечить заданные требования и сле- дует искать другие подходы, методы, средства. 4 этап. После того как оптимизи- рованы условия проведения испытаний на аттестованной отобранной партии цилиндров (этап 1), необходимо опро- бовать методику альтернативных пнев- матических испытаний (Ропт., Топт., ΔРкр, β, α) в реальных условиях, т.е. провести пневматические испытания на несколь- ких партиях собираемых цилиндров в сравнении с проводимыми параллельно гидравлическими испытаниями по стандартизованной методике. При этом оцениваются действительные значения риска поставщика и потребителя. В случае удовлетворительной согласо- ванности альтернативных методик про- ведения испытаний (относительно β и α) методика пневматических испыта- ний принимается и проходит процеду- ру придания ей законной силы. Резюме В данной статье рассмотрены проблемы и возможности их разрешения при раз- работке эффективных альтернативных методик испытаний на базе НПО «Фенокс». Они касаются обеспечения достоверности испытаний, их объективности, воспроизво- димости результатов. Данная статья носит концептуальный характер и не претендует на завершенность. Основной проблемой при традиционной разработке альтернативных методик ис- пытаний является отсутствие строгого системного подхода, который может быть реа- лизован с помощью определенной последовательности действий. Авторы выделяют два этапа: функциональное моделирование процесса альтернативных испытаний и робастное проектирование условий испытаний (в количественном и качественном от- ношении). Первый позволяет гарантированно выявить всю совокупность влияющих на результат испытаний факторов (условий), обеспечивая собственно системный под- ход. Второй позволяет оптимизировать «систему испытаний» для конкретных усло- вий их проведения, обеспечивая заданную эффективность. Литература 1. Крылова Г. Д. Основы стандартизации, сертификации, метрологии: Учебник для вузов. – М.: Аудит, ЮНИТИ, 1998. – 479 с. 2. Серенков П.С., Соломахо В.Л. К вопросу о методах и инструментах эффектив- ного менеджмента качества // Новости. Стандартизация и сертификация. – 2002. – № 2. – С. 57 - 60. 135 3. ТК РБ 4.2-Р-05-2001. Методика и порядок работ по определению, классифика- ции и идентификации процессов и построению карт процессов: Методические реко- мендации // Управление качеством: НТК по стандартизации. – Мн.: Госстандарт Рес- публики Беларусь. 2001. 4. Давид Марка, Клемент МакГоуэн. Методология структурного анализа и проек- тирования. Пер. с англ. – М., 1993, – 240 с. 5. Taguchi Methods. Case Studies from the US and Europe. – ASI Press, 1989.