設計限界




2014.4.25 新規






　製品の価値や品質は、製品そのものが持つ機能だけでなく、設計の完成度にも大きな影響を受ける。製品の設計難易度が設計側の能力を上回る状態になれば製品は未完成状態となり、価値や品質は下落し、最悪の場合には製品の存在そのものを失わせてしまう。しかし過剰な設計能力はコストを増大させ、製品が成り立たなくなってしまうことになる。つまり、製品の総合的な価値を保持させるためにはバランスの良い設計環境を作り出し、それを維持する必要がある。そして製品や設計者、そしてそれらを取り巻く環境は常に変化している。当然に、設計環境もその変化に合わせて変化し続けなければならない。

　ところが近年、技術の大幅な進化や、グローバリゼーションの進行、そして地球環境の悪化からの製品への要求仕様項目の増加等から、製品の設計難易度が急激に増大し、設計側の能力がこれに対応しきれず、設計が破たんする状態に陥りつつある。

　そこで、自己の「設計限界」を認識し、限界に至る前に正しい対処を施すことで設計破たんを防ごうというのが、この文章の主旨である。





「設計」の定義

　ここでは、製品の存在に必要な全ての要素を構成し、これらの全ての要素への値の付与を行うことを、「設計」として定義する。製品の存在に必要な全ての要素とは、製品の形や機能を表現するものの他に、資材の調達や部品の加工、組立、検査等の製造に関するものや、作業そのものや作業者、組織の管理に至るまでの、製品を定義、作成し現実のものとする為に必要な全ての要素である。そしてここで定義される「設計」によって構成、値の決定の為される要素を「設計要素」とする。




製品の複雑性

　設計の難易度、つまり製品の設計に必要となる能力を測る指標として、その製品の複雑性が考えられる。この製品の複雑性は、製品の持つ設計要素そのものの数と、要素構成の複雑さとに依るが、この設計要素の構成の複雑さは、設計要素の組み合わせの数が一つの目安となる。

　仮に、各設計要素が他の全ての設計要素と関係を持っているとした時、要素数をnとすると関係の総数は、

　nC2 = n! / ( 2! * (n-2)! ) = n * (n -1 ) / 2

となる。
要素数が10倍に増えると、関係数はその2乗の100倍になる。

　実際には全ての設計要素が他の設計要素全てと関係を持つことは無いため、純粋な組み合わせ数のような爆発的増加にはならないものの、製品は、設計要素数の増加分よりも高い割合で、その複雑性を増して行くことになる。


　そして製品の複雑性は、近年増加傾向にある。原因は主に以下の3つがあげられ る。

・製品の高性能化
　客層の要求仕様の上昇や、技術の進化により、製品そのものに求められる仕様が高くなっている。

・グローバル化
　客層が広がり、より多くの人種、文化、社会、習慣を考慮しなければならなくなった結果、製品の複雑性もより高くなっている。

・エコロジー重視による制限の増加
　環境問題が深刻化して行く中、これまでに無かった新しい制限が、次々と追加されている。


　いずれも外的な要因であり、こうした増加傾向を設計側でコントロールすることは難しい。その為、既存の設計要素を合併や兼用したり、設計要素構造を単純化するなどして、全体の製品の複雑性をなるべく低減して行かなければならない。





設計能力

　設計を行う能力を、設計能力とする。設計者個人の持つ能力が基礎となっており、個人能力の向上や、集団化、ツールによる補助によって、全体的な設計能力を増大することが可能であるが、絶対的な上限が存在する。


・個人の設計能力
　設計者個人が持つ技能や経験によって、その個人の設計能力にばらつきが出る。しかし人間の個体としての限界があることから個人の設計能力には絶対的な上限があり、また能力の高い人材は維持費が高く、教育にも時間とコストが必要であることから、絶対的な上限の遥か手前に、現実的な上限が存在している。


・集団の設計能力
　個人の設計能力を超す複雑性を持つ製品は、複数人で分担しなければ設計は不可能である。そして個人の分担範囲は互いに独立しているわけではなく全体でつながっている為、設計者は集団を作り、設計者間で調整を行わなければならなず、設計能力以外で人的リソースを消耗する。その為、集団全体での設計能力は、個人の設計能力の総和よりも低くなる。また集団の組織的能力によって、集団全体の設計能力も上下する。
　製品の複雑性と同様に、集団の規模の増加率よりも、集団の複雑性の増加率の方が大きくなることから、集団の自己管理作業のみで集団の能力が全て消費されてしまう線が存在することになる。これは、人類にとって、設計可能な製品の複雑性に上限があるということでもある。
　実際には、製品から得られる利益と、その設計に必要な集団の規模と質、集団の維持に必要なコストのバランスが保たれる範囲でしか設計活動は成立しない為、どのような製品であったとしても、運用可能な設計能力の大きさに限界が出てくることになる。




・ツールによる設計能力の補助

　最近では、コンピュータやデータベース、ネットワークなどの技術進化により、作業の処理能力が大幅に向上している。これにより、これまで時間やコストの制限で不可能だった計算や処理が可能となったことで、設計能力が向上することになった。
　しかし、こうしたツールによって得られるのは作業速度のみであり、速度や時間だけで対処不可能な設計作業（設計要素の構成など）は、これまで通り、人によって行わなければならない。例えるなら、プログラムを組むことで、コンピューターによって計算や処理を高速度・高精度で行うことが可能となるが、そのプログラム自体は人間が組まなければならないということである。その為に、製品の複雑性や、集団の組織構造の複雑性が増大して行くと、ツールの使い方の難易度が上がり、ある一定の難易度を越すと、ツールで対応できなくなってしまうことになる。つまり、コンピューター等のツールは、あくまでも「補助」的なものである。ツールを導入する前の状態で、人海戦術で対処不可能なものは、ツールを入れても対処不可能である。





「設計限界」という視点

　設計対象である製品の複雑性が、それを設計する側の能力の範囲内であれば設計は無事完了するが、能力の範囲を超してしまうと未完成となる。小さな欠陥で済む場合もあるが、最悪の場合には製品が成立しなくなってしまうことになりかねない為、常に設計能力が製品の複雑性を上回るように調整し、その状態を維持してゆく必要がある。

　その際、設計集団と製品の客観的な調査と分析、再構築によって設計環境全体を最適化する事が最も合理的でかつ効率的で望ましいが、それには非常に高い能力（個人的にも集団的にも）が必要であることから、一般的、平均的な集団においては、設計能力と製品の複雑性とを別々に増減し、調整するという対処療法的なアプローチをとらざるを得ない。また、設計能力の取扱いの方が製品の複雑性のそれよりも比較的困難であることから、目標とする、もしくは実現可能な設計能力を先に決定し、その設計能力の範囲内に製品の複雑性が収まるように製品の複雑性の調整を行う方が容易である。
　この「自己の設計限界を明確にし、その範囲内で製品を設計する」ということは、つまりは「身の丈にあった仕事をする」という当たり前の事であり、その当たり前の状態へと回帰することが、「設計限界」という視点の目的なのである。





具体的手法

製品の複雑性の低減　→単純化

・設計要素数の削減
　　兼用可能な要素の合併や、既に不要となっている要素の廃止を行い、設計要素数そのものを少なくする。例えば、部品数の削減、形状の単純化、機能の削減、設計選択肢の削減、等。

・設計要素間の関係数の削減、関係の単純化
　　設計要素同士間の関係を削減し、関係性も単純な構成へと変更する。例えば、部品機能の単純化、設計要素の循環参照の禁止、トップダウン設計等



設計能力の向上

・可能な範囲での人員増強、作業者の能力向上、組織的能力の向上

・ツールによる能力の補助
　　各種計算ツール、管理ツールの利用による設計作業の補助



モジュール化

　モジュール化は、見かけの設計要素数を削減し、設計要素間の関係を単純にすることが可能であり、製品の単純化を行う際に最も有効な手段であるといえる。またモ ジュールを一つの作業単位とし、その大きさや構成を設計者や設計組織に合わせて調整することで、設計作業性や組織的能力を向上させることも可能となる。つまり、設計限界に対応する上で、モジュール化は大きな武器となる。







日本の造船と設計限界について


・造船の特殊性と、それによる問題点

　現在の造船設計・建造システムは非常に枯れたものである。基本的な部分は19世紀末頃から20世紀初頭にかけて完成したものが、ほぼそのまま使われている（古い図面からの推察）。
　溶接による船体構造の変更（ラップから突合せへ、フレーム構造からロンジ構造への変更）、ブロック工法の採用、工作図の登場、専門船化などの変化があったものの、設計や建造の流れから、契約習慣やルール、検査や管理といった外環境に至るまで、基本的な部分は100年そのままの、非常に古い保守的な世界となっている。特にこの40年間においては、ほぼ変化が無い（40年前のIHIの資料からの推察）。
　システムが枯れているということは、システムの最適化が行き着き、これ以上の最適化が難しい状態であり、作業プロセスや作業者の役割が固定化してしまっていることから、部門間や作業者間の壁も高くなっている。実際、通常の仕事であれば、壁が高くても何ら問題は発生しないまでに、システムが最適化されている。
　日本においてはそれに加えて、プロセスそのものを海外から丸ごと輸入してしまった為にプロセスの創造経験が無く、自己の作業プロセスに対する意識が極めて薄い。現在の設計・建造手法が、あたかも天地創造以来ずっと続いており、今後も変化することも無いものとして「無意識に」認識されている。これにより、自己の作業プロセスの見直しという選択肢が抜け落ち、衰退を一層早いものにしている。




・船自体と、それを取り巻く環境の複雑化

条約やルールにおいては、この10年だけでも以下のような制約が新たに加わり、製品の複雑化に拍車をかけている。

・バラスト水処理装置の義務化
・リサイクルに関する、一部有害物質の使用禁止と、有害物質の使用記録の義務化
・塗装基準の厳格化（PSPC）
・騒音などの乗員の居住性に関する規制強化
・燃費、排気ガスに関する規制強化

また、他にも搭載される電子機器類の増加や、エンジンの多様化も進んでいる。


　そして諸外国の造船業への新規参入が進み、競争が激化したことで、コストや品質 などにおいて条件が更に厳しくなっている。

　このような設計条件や設計制限の増加は、製品の複雑性を大幅に上昇させている。しかも短時間で急激に変化しているため、対応が追いつかない状態になっている。




・設計能力の低下

　製品が複雑化する一方で、それを処理する側の設計能力は、年々低下している。

　最も大きな原因は、供給される人材レベルの低下である。
　40年前のオイルショックの頃までは、造船は製造業の中でも花形であり、優秀な人材が集まっていた。しかしそれ以降、造船の魅力は低下し続け、製造業の中でも不人気業種に陥っている。そしてこれから数年の間に、オイルショック以前の優秀な人材が消え去り、更にオイルショック後の造船不況時の採用抑制によって発生した世代ギャップにより、造船所は大きな能力ギャップを実感することになる。

　もう一つの原因は、「ベース船」を利用した設計手法による悪影響がある。
　ベース船を利用した設計とは、新規設計を行う際に全くのゼロから設計を行うのではなく、比較的近い船をベースにして設計を行うことで、設計作業を容易にしつつ、設計作業量と時間とを節約し、コストを削減するというものである。
　本来ならば、ベース船を基にしたことで再利用を行う設計要素についても、全てチェックし直さなければならないのだが、ベース船そのものが完成している事、そして種類が異なった船同士でさえ共通部分が多い事から、再利用部分において変更が必要となる可能性は低く、変更箇所や重要部分のみ変更やチェックを行うだけでも多くの場合は船が無事に出来上がってしまった。そしてそれが繰り返される内に、この事実上の手抜き（意識的なもの、無意識なもの問わず）が常套化されるようになり、その内、それが当たり前なものになってしまう。この手抜き行為は製品の品質を低下させているが、それと共に設計者本人の設計経験も減少し、設計者の技能低下を招いている。
　ベース船からしか新規設計を行っていないと、造船所にとっての全くの新規コンセプトの船を設計しなければならない場合、つまりベース船が存在せずゼロから設計を行わなければならない場合に、どうしてよいかわからず手を付けられない状態になってしまう危険性も伴う。




・顕在化しにくい造船での設計限界

　製品の複雑化と設計能力の低下によって発生する設計破綻は、特に後者を認識しにくい事から、突然目の前に現れることになる。

　そもそも設計者の設計能力については客観的な測定基準が存在しないことから、設計者本人の自己主張か同僚や上司による評価から判断する他ない。
　設計者本人の主観的認識については、世代間で能力に隔たりが無く、自分よりも高い能力を持つ作業者が周辺に居る内は、自己の設計能力を相対化することが幾らか可能であり（ある程度、能力が近くなければ能力差を理解することは不可能である）、更に有能者に教えを乞うことで能力の復原もあり得た。しかしオイルショック後に発生した世代ギャップにより設計者の能力にも不連続性が発生すると、能力の隔たりから自らの能力を相対化できず、有能者に教えを乞いにゆくことも無くなる。そしてオイルショック前の有能者が全て退職して未熟な設計者が造船所内のトップになると、集団の設計能力が一気に低下することになるが、設計能力が低下したことの自覚が無く、例え破綻したとしても、その正しい原因を把握する事ができない。

　そしてベース船による設計は、設計が未完成であっても、種類の異なった船同士でも共通部分が多いことから未完成部分の存在が分かり難く、その未完成部分が何らかの問題を実際に引き起こすまで判らない事が多い。船そのものは非常に複雑な製品であることから、問題が１つ発生すると他へ連鎖的に影響を与える為、すぐに大きな問題に転化する事が多い。設計能力の低下は、当然に発生した問題への対応力の低下も招いており、それまでは何とかなっていた事が何とかできなくなってしまう。その結果、昨日まで普通に作業できていた造船所が、突然に停止し、そのまま廃業しなければならない状態に陥ってしまう可能性もありうるのである。




設計限界への対処法

製品の複雑性を設計能力が上回るように調整し直さなければならない。



対処へのアプローチ

（１）造船システムそのものの見直し

　最も理想的で効果の大きな対処法は、現在の造船システムそのものを見直すことで ある。
製品における設計要素の構成や、各種ルールや標準、組織、作業プロセスなど、一切合財を整理、変更し、新しく必要となった設計制限を織り込みつつも、これまでと変わらないかより低い製品の複雑性と、これまでよりも高い設計能力とを実現することこそが、正統な解決方法であると言える。

　しかし、これは余りにも大がかりであるため難しく、仮に行えたとしても数十年単位の時間が必要であり、事実上不可能であるといえる。ただ、すぐにできないと言っても、本来の目標として常に明示しておかなければ、混乱に拍車をかけることになるため、無視することはできない。


（２）部分的な、製品の単純化と設計能力の向上の実行

　現実的な対処法としては、部分的に製品の単純化と設計能力の向上を行い、設計限界に至らないように調整してゆく他ない。このためには製品の複雑性と設計能力を数値化し、それを基に管理してゆくのが合理的であるが、多くの造船所ではそうした経験も能力も持っていないため、実際には「対処療法」をする他ない。つまり、可能な範囲で対処を行い、その結果を見つつ次の対処を行ってゆくというものである。


　製品の単純化は、実際に行うとなれば困難である。
　製品の単純化は、それに伴い製品によって得られる利益やかかるコストが悪化する事が多く、例えそれが表面的な悪化だけであっても利害関係者からの反撥は大きく、客観的な共通の価値観を持たない日本の造船所においては、説得も調整も難しい。その為にも製品価値の数値化（客観化）が必要となるのだが、これも関係者間において利害が相反して調整は難しい。製品価値の数値化によって合理的なコスト削減を実行できているような先進的な造船所は稀であるため、権力者を抱き込んで強引に進めて行くといった強引な手法にならざるを得えないが、裁定者の主観に頼る為に失敗する危険性も大きい。

　設計能力の向上は更に難しい。
　各設計者や設計部門の設計能力を数値化しているような造船所は存在しないだろう。「工数」という労働量を未だに信奉しているような職場では、作業の「効率」や「品質」といった価値観は存在しておらず、能力不足による作業の遅れも、当人のやる気の問題で片づけられてしまい、余程の事でもない限り交代や増員が為されることも無い。そして何よりも、これまで自身の主観的評価に甘んじて他から評価されることなかった当の設計者から大きな反発を受けることになるだろう。その為、設計者の頭数や、図面の枚数、大まかな作業時間などの極めて粗い値でしか設計能力を把握、管理することしかできない。
　また設計能力の数値化に成功したとしても、採用や教育といった対策が効果を表すまでに長い時間がかかることも、設計能力の向上の困難さの理由である。

　2つの内、比較的に容易なのは製品の単純化であり、取り敢えず手を着けるとするならこちらからである。例えば船殻設計では、船全体で使用する板厚や材質、型鋼の種類を削減したり、各種の社内標準を見直しして不要な項目を削除したり、他の項目と融合するといった、コスト削減などの他の陽的要因と結び付けやすいものからとなるであろう。ただし、前にも指摘しているように、重量増や機能の低下が発生する為、調整は難しい。一方で製品の単純化は、システムやプロセスも単純化し、それによって作業が容易になり製品の品質の向上を見込めるため、全体的なコスト評価の仕組みを作ることで推進しやすくなる。



（３）3DCADはあくまでも設計補助ツール

　造船業界では、しばらく前から3DCADの利用による設計能力の向上が謳われているが、前にも述べたように、ツールとしての3DCADが可能なのはあくまでも設計の補助である。設計者の作業時間の短縮や、単純作業の外部化、それによってこれまで実行不可能だった作業や付加価値の追加は実現できても、設計技能の底上げはできないということである。

　例えば船殻における外板展開において、展開手法を知らない作業者であっても、モデルを正しく作成して展開プログラムを実行すれば外板展開が可能であることから、設計技能を向上できるものであると錯覚しがちであるが、実際には展開プログラムに対して各種パラメータを事前に定義しておく必要があり、またモデリングも展開プログラムの癖を抑えて行わなければならず、それには展開の手法やノウハウが必要である。そもそも、展開の知識が無ければ、展開された板が正しい結果かどうかの判別が不可能である。作業者全員が展開手法を知る必要はなくなるが、造船所に最低1人は既存の展開手法を熟知した設計者が必要となるのである。（実際には外板展開担当者は造船所で1名であることが多いので、必要となる作業者のノウハウの総量としては、3DCADの分だけ増大することになる）

　作業速度や処理能力という意味では設計能力の向上にはなるが、設計に必要となる知識やノウハウの総量を削減することはできないのである。




　とにかく、設計破綻を防ぐことが第一である。製品に欠陥が出れば、製品が完成しなければ損害が発生し、場合によっては経営が成り立たなくなる。しかしその兆候は極めて認識しにくい。

　設計が破綻する状況に陥りつつある現状を理解し、設計限界を意識しつつ設計環境の調整を行えれば、すぐの破綻は防げるはずである。ただ、長期的視野で見れば、根本的な問題解決が必要であることも確かである。しかし日本の造船の現状を見るに、延命までは可能としても、治療は不可能なように思えて仕方ない。






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