一種復雜集成服務型機械產品的模塊化結構建模方法

李 浩，喬東平

（鄭州輕工業學院機電工程學院，河南鄭州 450002）

近年來，由于環境與可持續發展問題的日益嚴峻，同時，由于企業間價格戰的惡性競爭使得單純賣物理產品的利潤越來越低，PSS開始吸引工業界和學術界極大的興趣，成為產品可持續發展的重要手段之一。PSS系統設計是實現PSS的最重要環節，已成為PSS領域的研究熱點之一［1-3］。

隨著用戶對產品和服務個性化需求越來越強烈，客戶所需的物理產品與服務越來越具有明顯的個性化和多變性特點，主要表現在物理產品的個性化、服務內容個性化與服務選擇與使用的多變性［4-5］。隨著PSS戰略的出現，傳統的模塊化設計方法學需要擴展［6］，因為PSS中的產品與服務的個性化和多變性必然造成企業在管理、設計制造、供應和實施等環節成本的增加［5］。解決個性化與低成本矛盾的關鍵是實現客戶需求的物理產品與服務的模塊化，產品與服務的模塊化戰略可以應用于降低產品工程的復雜度［7］。因此，通過建立一系列標準的物理模塊和服務模塊，實現內部模塊少樣化，降低生產成本和減少對環境的影響；通過模塊化組合實現物理產品與服務外在的個性化和多變性，滿足客戶的個性化需求［8-9］。

為了提升產品與服務集成后的潛能，AURICH等在PSS領域首先提出了PSS系統的模塊化設計框架、原理和配置設計方法，針對投資型產品，提出了一個兩步驟的方法，建立了實現技術型產品-服務系統模塊化原理，提出一個過程庫用來設計和制造技術型產品-服務系統，也用來選擇、組合和適應合適的過程模塊［6，10-11］。WANG等在PSS并行模塊化開發和理解物理產品與服務的關系等方面做了深入研究，提出了一個面向PSS的模塊開發框架，認為模塊化過程可以分為3個部分：功能性、產品和服務模塊化，采用QFD方法與Portfolio技術實現了面向PSS的模塊開發［12］。集成物理產品與服務的產品模塊化設計中，理清物理模塊與服務模塊的關系以及交互設計過程是難點和重點。對此，LI等建立了廣義產品模塊化過程總體模型，并提出了一個三階段的交互式集成服務型產品模塊劃分方法，將服務劃分為功能性服務和非功能性服務，通過功能性服務理清了物理模塊與服務模塊的交互關系，實現了物理模塊劃分與服務模塊劃分的有機融合［9，13］。

以上研究促進了產品設計與服務的有機融合，推動了PSS系統的快速開發與實施。然而，傳統物理產品與集成服務型產品存在較大不同，傳統物理產品的模塊化結構設計與建模理論需要拓展。對于復雜的機械產品，組成模塊和零部件也越來越多，集成服務型產品在產品提供和系統實施方面變得較為復雜。例如，一架波音飛機就由兩百多萬個模塊組成，一臺汽輪機也有數萬個模塊，而復雜機械產品在集成無形的產品服務以后會變得更加復雜，在產品的概念設計階段，就應該考慮到產品提供階段的用戶服務。模塊化戰略已經應用于降低產品與服務工程的復雜度［6］。然而，集成服務型機械產品所形成的復雜模塊化系統里面蘊涵一系列科學問題，如有形的物理模塊和無形的服務模塊之間內在關聯關系是怎樣的，它們之間是怎樣有機融合的。復雜集成服務型產品構成的復雜模塊化系統究竟呈現哪些宏觀整體特性，與傳統物理產品形成的復雜模塊化系統有哪些區別，這是一系列有趣并具挑戰性的問題。

基于以上問題，本文首先分析了復雜集成服務型機械產品的模塊化設計過程，給出了模塊化結構建模原理。提出了復雜集成服務型機械產品的模塊化結構建模方法，包括微觀建模方法與宏觀復雜網絡建模方法。

1 復雜集成服務型機械產品的模塊化設計過程

集成服務型產品是在銷售階段根據客戶的訂單需求形成的，如圖1所示。集成服務型產品模塊化設計的目的是建立面向服務配置的模塊化平臺，通過該平臺可以配置出個性化的集成服務型產品。在客戶需求、概念設計、詳細設計等階段，搜集客戶需求，轉化為技術特征和服務需求，服務需求包括功能性服務和非功能性服務，通過對其進行模塊劃分，形成服務模塊主結構。物理產品的模塊化設計需要對技術特征和功能性服務的分析，采取合適的模塊劃分方法，構建出物理模塊主結構。

2 復雜集成服務型機械產品的模塊化結構建模原理

1）整體宏觀與內部微觀研究相結合的系統學建模原理

集成服務型產品具有多角色、多類型和動態性的特點，在整體上呈現出復雜系統的特性。多角色是指產品形成和使用階段涉及客戶、設計人員、銷售人員、培訓人員、安裝維修人員、產品回收人員等不同角色；多類型是指產品是由物理產品和產品服務組成，產品服務包括銷售、安裝調試、培訓、維護維修、保養和回收等多個階段的服務；動態性是指在產品的全生命周期過程中，產品服務的多變性導致產品結構的動態演變。根據復雜集成服務型機械產品的特點，結合系統學思想，不僅研究零部件和模塊的特性，還必須從系統網絡拓撲結構入手，采用系統宏觀與結構微觀相結合的原理來研究產品的內部結構關聯機理與產品結構整體特征，控制系統結構并使之達到總體最優。

圖1 集成服務型產品的模塊化設計過程Fig.1 Modular design process of ISP

2）多粒度的層次性建模原理

集成服務型產品可以分解為多個層次，每個層次粒度大小取決于具體的研究對象。最底層包括零件、服務過程等；中等層次是部件、物理模塊、服務模塊等；高層次是產品系統層。在不同的層次，研究產品的特性不同。在底層，主要研究微觀零件的結構組成、時空規則、關聯關系與描述方法等；在中等層次，主要研究模塊間關系、主導子模塊等，發現內部的關聯機理；在最高層次，研究系統特性與演化規律。

3）物理結構—網絡拓撲映射的建模原理

在從系統學原理研究集成服務型產品模型的過程中，可以將物理系統抽象成網絡結構，從宏觀上研究產品系統的整體特性與規律。零部件對應于網絡上的節點，模塊對應于網絡社區，產品對應于網絡系統。可以通過研究網絡社區結構特性，發現系統結構的宏觀特征與控制方法，然后再將具體原理和方法映射到物理系統中，實現對復雜集成服務型機械產品的優化建模。

3 復雜集成服務型機械產品的模塊化結構建模方法

3.1 微觀建模方法

3.1.1 集成服務型產品內部模塊化結構作用原理分析

分析物理產品與服務的關系，包括物理零部件間的關系、服務間的關系和物理零部件與服務間的關系，如圖2所示。根據服務與物理產品的關聯程度，可將服務分成功能性服務與非功能性服務［9］。功能性服務與相關的可選物理組件直接相關，特定的可選物理組件在裝配到物理產品中的情況下才能開展此產品的功能性服務；而非功能性服務能否開展與某一組件無關。因此，集成服務型產品的設計不但要考慮面向服務的物理產品設計，還需考慮基于物理產品的服務設計，要保證物理模塊、相應的功能性服務模塊之間的一致性，是物理產品和服務的集成設計過程。

3.1.2 一個“服務-物理-服務”三階段模塊劃分過程

復雜集成服務型機械產品模塊劃分過程是一個服務模塊劃分與物理模塊劃分交互的“服務-物理-服務”過程。將“服務-物理-服務”模塊化設計過程分為3個步驟，如圖3所示，依次為基于“Top-Down”的服務模塊劃分、基于“Top-Down”的物理模塊劃分和基于“Bottom-Up”的服務模塊劃分過程［9］。

1）在“Top-Down”的服務模塊劃分過程中，模塊劃分是按照“服務需求域-服務功能域-服務模塊域”的映射過程來實現的，是一種自上而下的過程。首先，分析服務功能，建立服務功能樹，將其映射為服務業務；然后，把服務之間的相關性分為功能相關、類相關和服務過程相關，并建立綜合相關性矩陣，通過計算服務間的相關度，使劃分出的模塊之間能夠最大限度地滿足各方面的需求，實現服務模塊的劃分。

2）基于“Top-Down”的物理模塊劃分。在廣義產品中，物理模塊劃分的基本原理是通過“客戶需求域-功能域-結構模塊域”的映射來實現，是一種自上而下的過程。

圖2 物理產品與服務關系分析Fig.2 Relation analysis between physical product and service product

圖3 集成服務型產品模塊劃分過程模型Fig.3 Modular partition process model of ISP

3）基于“Bottom-Up”的服務模塊劃分。一些服務模塊如保修服務、備品備件服務等，與特定的物理模塊關聯度較高，在物理產品設計完成之前無法準確確定具體服務內容。因此，必須在物理模塊設計完成后，根據物理模塊來確定具體服務模塊，這是一個從下到上的過程，因此稱為“Bottom-Up”方法。

4）基于質量功能屋的沖突檢測與消解機制和方法

在集成服務型產品交互式模塊化設計中，物理模塊之間、服務模塊之間、物理與服務模塊之間、用戶需求與模塊之間等存著諸多可能的沖突之處。例如，物理與服務模塊劃分粒度的大小不一致可能導致配置設計過程中的沖突；用戶的服務模塊需求在物理產品配置時無法得到保證等。基于此，在面向配置（物理模塊與服務模塊）的模塊化設計過程中，可采用基于質量功能屋的用戶需求、物理模塊與服務模塊劃分的一致性檢驗方法和基于規則的沖突消解機制等。

3.1.3 物理產品與服務的循環式優化設計

“服務-物理-服務”模塊化設計過程可歸納為“劃分服務模塊-劃分物理模塊-完善服務模塊”的單循環過程。在模塊劃分過程中，服務模塊化設計的約束目標是企業利潤最大化和客戶滿意度，物理模塊化設計的約束目標是功能與性能最優和成本最低。盡管在單次優化設計中能滿足服務模塊化設計和物理產品模塊化設計的約束目標，然而，由于物理與服務之間有復雜的交互關聯關系，單次循環設計后形成的總體模塊化方案不一定是最優化方案，需要對總體方案進行評價。廣義產品模塊化方案需要從環境需求、服務需求、功能需求、性能需求和用戶特點等方面綜合評價，系統總體目標是功能性能最優和利潤最大化。在完成首輪評價發現方案不是最優化，內部模塊之間有不一致情況或用戶需求不能得到有效滿足，則需要進入更高一層次的循環設計，如圖4所示。直到得到能滿足用戶需求和約束目標的最優化方案為止。

圖4 螺旋式的循環設計原理Fig.4 Principle of spiral and loop design

3.1.4 建立復雜集成服務型機械產品模塊化主結構

基于層次性原理建立集成服務產品的模塊化主結構，主結構由物理模塊和服務模塊組成，包含基本模塊、必選模塊和可選模塊（或額外模塊），各模塊之間通過關聯規則和聯系組合而成。所謂基本模塊，是指組成一個產品時必須包括的物理和服務模塊；必選模塊，是必須按照一定的規則從主結構中指定的模塊中選擇一定數量的模塊；可選模塊（額外模塊），是根據客戶的特殊需求，按照一定的規則選擇的物理和服務模塊，有時客戶需要特殊的服務不在主結構中，需要快速完善主結構。

3.2 宏觀建模方法

3.2.1 復雜集成服務型機械產品網絡建模

集成服務型產品模塊化主結構是一個可配置的、包括所有可能零部件和服務模塊組合的集合。運用網絡建模原理，將已建立的集成服務型產品（族）主結構關系網絡轉換為網絡表示形式，構造一張加權有向無環網，其中節點是產品中各個單獨的個體（產品、部件、零件、服務和服務包），有向邊表示零部件（含服務）間的從屬關系，方向是從上一級零部件（含服務）指向直接隸屬于該零部件（含服務）的下一級零部件（含服務），邊權是父節點包含子節點的數目［9］。

3.2.2 基于社區結構網絡理論的產品（族）結構分析

根據復雜集成服務型產品的網絡拓撲模型，對零部件模塊與服務模塊關系網絡分析，本文主要分析模塊化網絡的社區結構特性。模塊度是度量網絡社區結構的重要指標之一，主要用來評價網絡結構的模塊化程度。社區結構的強度也是度量網絡社區結構的重要指標之一，主要用來評價網絡結構的強健程度。如圖5所示，由32節點組成的五社區網絡。當網絡的社區結構強度較小時，各個社區之間連接就比較松散，當其中一個社區的某一個節點發生故障，故障就會在這個社區中迅速傳播。通過計算社區網絡的模塊度和社區模塊強度來分析集成服務型產品（族）的模塊化程度、社區結構的強健度。對分析復雜集成服務型產品的模塊最優劃分、模塊質量特性等有一定應用價值。

圖5 由32節點組成的五社區網絡Fig.5 Five-community networks composed of 32nodes

4 結 語

分析了PSS領域的模塊化建模方法，指出了現有方法應用于集成服務型產品建模中的不足之處。提出了復雜集成服務型機械產品的模塊化設計過程、原理與方法。提出研究集成服務型產品內部機理，建立集成服務型機械產品的結構組成、時空規則、物理與服務關聯模型、模塊沖突與一致性等，有助于發現復雜集成服務型機械產品內部服務模塊、物理模塊與模塊化設計之間的影響規律。提出通過將集成服務產品模塊化樹狀主結構映射為網絡拓撲結構。運用網絡建模原理來分析其社區結構特性，如出入度、模塊度、社區結構強度等，從宏觀角度分析集成服務型產品的模塊化結構特性，發現模塊化系統中蘊含的規律，以指導產品質量控制和服務增值演化。本文的研究內容對面向服務配置的集成服務型產品結構優化設計、基于社區結構網絡的產品質量控制和基于社區結構網絡的服務增值演化等方面有一定的指導價值。

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