面向產品族演進的模塊通用性研究*

王浩倫，甘衛華

(華東交通大學 機電工程學院，南昌　330013)

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面向產品族演進的模塊通用性研究*

王浩倫，甘衛華

(華東交通大學 機電工程學院，南昌330013)

摘要：模塊通用性程度的度量對模塊化產品族設計或再設計以及演進過程具有重要的意義。分別從基于零部件的通用性指標和面向參數化產品族的通用性指標兩個方面進行研究現狀的分析，進一步指出了模塊通用性與產品族演進關系。在此基礎上，提出了基于模塊化產品族結構模型的模塊通用性指標，即由模塊化產品族的模塊功能、結構和特征參數三層要素合成，可以分別實現單個模塊通用性和模塊化產品族整體通用性的衡量，最后以輪式裝載機產品族為例說明該方法的有效性。

關鍵詞：模塊；產品族；通用性；指標；演進

0引言

實現以大批量生產的高效率、高質量、低成本和短交貨期向客戶提供多樣化和個性化的定制產品，越來越多企業實施基于平臺的產品族開發策略[1]。從本質上看，產品族/產品平臺規劃或再設計是一個多目標權衡和優化問題，其核心為通用性決策，即通用性和多樣性之間的權衡[2]。產品族中的通用性是指構成元素(零部件、屬性等)在產品系列中或不同產品系列之間的共享程度，或是為同類構成元素之間的相似性程度。目前，通用性和模塊化已成為模塊化產品族設計或再設計的最基本問題。

根據產品族體系結構的不同抽象層次，產品族通用性可以分為平臺通用性[3]、模塊通用性[4]、零部件通用性[5]、形狀通用性[6]以及工藝過程通用性[7]。其中，零部件通用性研究最為廣泛和深入。一般地，使用共性零部件能降低成本，能夠降低庫存量、縮短交貨時間、降低工裝時間、增加生產率和提高柔性[8]。許多研究通用性衡量對象主要集中于以零部件為分析基礎衡量產品族的整體通用性[9-10]。而對于產品族中模塊的通用性衡量研究比較缺乏，尤其是面向產品族演進的模塊化通用性研究。因此，本文主要針對產品族中模塊層的模塊通用性進行分析，作為產品族動態演進設計中平臺水平調整的基礎。

1通用性研究現狀

許多學者針對不同的研究目的從不同抽象層次(平臺、零部件、形狀或過程等)，根據可以獲取的信息，如客戶需求、產品及其構成零部件的功能結構、幾何形狀和材料、制造和裝配工藝過程、成本和產量(或單位產品的零部件用量)等，提出了多種通用性指標或用于識別通用元素以構建與優化產品平臺，或用于產品族設計或再設計過程中的通用性和多樣性權衡與方案評價等。這些指標可分為兩類：基于零部件的通用性指標和面向參數化產品族的通用性指標。

在基于零部件的通用性指標方面，通用性指標構建主要依據產品族中各種產品變型的物料清單或基于產品拆解后的零部件歸類，如DCI[11]、TCCI[12]、CI(C)[7]、CI[13]、%C[14]、pCI[15]等。JOHNSON等[16]應用基于過程的成本核算模型計算共享與不共享零部件這兩種情況下的產品族設計開發、制造和裝配成本，基于零件數量并考慮重量或成本等因素構建多個通用性指標，通過線性回歸分析方法剖析指標與總成本、固定成本節約量之間的關聯關系。此外，基于產品族復雜網絡或類物料清單表達方式，樊蓓蓓等[17]將同一種類零部件歸為一個模塊(零部件模塊)，通過構建零部件模塊網絡并計算分析對零部件模塊通用性有重要影響的五個參數，即零部件模塊的出度、入度、介數、使用次數和使用產品數，提出基于網絡模型的零部件模塊通用性指標GpCI，但這一方法計算過程過于復雜。

針對參數化產品族通用性程度測量，SIMpSON等[18]提出非通用性指數NCI衡量產品族中設計變量參數變化程度。MESSAC等[21]提出產品族罰函數用于識別參數化產品族中的通用參數和擴展參數，其中通用參數構成參數化產品平臺，擴展參數用于產品族實例化。李忠凱等[22]提出基于相似度的平臺通用性指數用于衡量各設計變量在所有派生產品中取值的相似程度。以上指標將設計參數取值視為連續數據，通過設計參數取值向量之間的“距離”評價產品族通用性。此外，部分學者將設計參數取值視為離散數據，基于參數不相同取值的數目統計構建通用性指標，如HUANG等[23]提出的CD (Commonality Degree)。

綜上所述，盡管學術界提出了眾多通用性指標及其衡量方法，但是許多企業在實際產品研發過程中仍不能充分利用通用性對基于平臺的產品族開發新產品或對現有的產品族進行再設計，其中原因是缺少合理方法和有效的指標來評價產品族的通用性和多樣性。雖然文獻中很多基于零部件通用性指標能有效指示產品族中通用性和多樣性之間的均衡關系，但是不能有效獲取對于產品族再設計和動態改進設計有利的充足信息。

2模塊通用性與產品族演進

促使產品族模塊進行調整基本有兩種原因，一是企業的技術能力的進步而對現行的模塊進行改進或替換，二是客戶需求變化引起的功能需求重新劃分或設計參數集變動調整的需要。產品族的模塊化結構是由平臺模塊(非差異性模塊)和個性模塊(差異性模塊)在一定的配置規則下組合而得到的。對產品族的模塊庫中的模塊進行改進或調整，如原產品族的模塊通用性較高但在新產品族中該模塊的通用性可能降低，而且在模塊改進或調整之后需要重新確定產品族模塊庫中模塊的配置結構，即確定哪些為平臺模塊和哪些為個性模塊。此時，在考慮模塊的定制屬性、相互影響關系以及成本的約束等因素確定平臺水平，同時也有利于確定在演進過程中產品族平臺水平的調整和控制。

圖1　模塊通用程度與平臺水平

如圖1所示，模塊通用程度與平臺水平。產品族中的模塊依據通用性與差異性比率關系可以將這些模塊分成通用性最大的通用模塊、差異性最大的專用模塊和通用性處于兩者之間的變型模塊。從產品族自底向上設計視角，由不同模塊配置組合得到系列個性產品(p1,p2, … ,pj)從而形成模塊化的產品族(pF)，此時的產品族pF有其特定的平臺水平(圖1中的紅色虛線)，進而通過平臺水平將產品族中的變型模塊劃分為通用-變型模塊和變型-專用模塊，其中通用-變型模塊與通用模塊共同決定了產品族的模塊的平臺規模。然而，在不同時間段模塊化產品族的動態演進設計往往就是對原產品族中的模塊進行調整(如改進、刪除、合并、添加等模塊操作)，通過配置形成新的產品族(pF’)，而其平臺水平和平臺規模可能發生了變化。平臺水平變化的范圍主要是在產品族中變型模塊之間波動，同時平臺規模也隨之發生變化。因此，在產品族動態演進設計過程中模塊的通用性程度定量衡量是一個關鍵環節。

3面向產品族演進的模塊通用性指標

依據上述模塊通用性與產品族演進之間關系的分析，有必要對產品族結構中模塊通用性進行量化研究，為此，在模塊化產品族結構模型基礎上提出模塊通用性指標量化方法。

3.1模塊化產品族結構

假設產品族中已有J個個性產品構成，即：MpF={pj|j=1,2,…,J}，每個個性產品j表示為pj={Mjk|k=1,2,…,K}，Mjk代表第j個產品中的第k個功能模塊；Mjk={mjkl|l=1,2,…,L}，mjkl為第j個個性產品的第k個功能模塊的第l的模塊實例；mjkl={vjklt|t=1,2,…,T}為第j個個性產品中的第k個功能模塊中的第l個模塊實例的特征參數集合，vjklt為該特征參數集合中的第t個特征值。如圖2所示，產品族模塊層次結構模型。

圖2　產品族模塊層次結構模型

3.2模塊通用性指標

根據圖2的產品族模塊層次結構模型，模塊通用性分析中主要從模塊的功能、結構和特征參數三個方面進行判斷，模塊通用性判斷準則如下：

(1)在功能層上，各個性產品選擇模塊實現相同的功能；

(2)在結構層上，各個性產品選擇模塊的結構相同，僅模塊結構成本不同；

(3)在特征層上，各個性產品中相同功能且相同結構的模塊，同性質的零件特征參數存在相似性。

基于上述三種判斷準則，在產品族中的功能模塊Mk的通用性可表示為：

(1)

(1)模塊k在功能層上的通用性由公式(2)表示：

(2)

式中，vkj為模塊k對應第j個個性產品的產量；nk,Np分別為模塊所對應的個性產品數量和產品族中個性產品的總量，nk≤Np。

(2)在結構層上的模塊k通用性由公式(3)表示[11]：

(3)

式中，Lk表示第k個功能模塊中模塊實例的總數量；nkl為有第l個模塊實例對應的產品數量，nkl≤nk≤Np；Ckl為模塊k的第l個實例的總成本，可以由公式(4)表示：

(4)

其中，Cklj是模塊k的第l個實例在個性產品j中的成本。它可以由公式(5)得到：

Cklj=Qklj×cklj

(5)

其中，Qklj為模塊k的第l個實例在個性產品j中的數量；cklj為個性產品j中的模塊k第l個實例的單位成本。

那么，模塊實例的最大和最小成本總和分別由公式(6)和公式(7)表示：

(6)

(7)

(3)在特征層上的模塊k的通用性由公式(8)表示[13]：

(8)

式中，u為模塊k中個性零件的數量，Nkl為模塊實例kl中的零件數量，Lk為模塊實例的數量。

產品族的通用性主要體現了組成模塊的通用性程度，因此，由產品族中各功能模塊的通用性CIk加權平均得到，有下面公式表示：

(9)

式中，K為產品族中功能模塊的總數量，Wk為產品族中模塊k的權重值。

4案例分析

X公司主營的小型輪式轉載機系列可以分為：S系列、H系列、M系列、T系列和K系列，其中以M系列為基礎原型研發出來T和K系列小型輪式裝載機產品，這三系列間的功能結構較為相似，可以共享生產制造相關資源。本文將選擇M系列(包括M-I型系列、M-II型系列)、T系列和K系列組成小型輪裝產品族并作為研究對象。根據小型輪裝產品的功能結構關系，可獲得小型輪裝產品多層次模塊，由于篇幅限制，見表1所示部分模塊。

為了說明小型輪裝產品族的模塊通用性計算過程，下面以小型輪裝產品族中的柴油機模塊M1作為模塊通用性計算的例子。在功能層次上柴油機模塊M1是各種小型輪裝產品M/M-I/M-II/K/T所必須的模塊，由于各小型輪裝產品的產品分別是387,295,55,551,450輛。而nk和Nk分別都取值為5。那么根據公式(2)可以得到，柴油機模塊M1在功能層次上的通用性為，這說明了該模塊功能在產品族中各個性產品中都不能缺少。在結構層次上柴油機模塊M1具有四種模塊實例，即為M11,M12,M13,M14。設計者通過配置設計將這四種模塊實例有選擇地進行配置，見表2所示，柴油機模塊實例與小型輪裝的關系及成本。

0.5397

表1　小型輪裝產品模塊表

表2　小型輪裝柴油機模塊實例及成本(單位:萬元)

在特征層次上，由于柴油機模塊M1的四種實例都是X公司小型機的外購件，將該外購的模塊實例看作一個整體，也就是說實例整體為一個零件本體。因此，根據公式(8)可以得到，柴油機模塊在特征層次上的通用性為，這說明柴油機模塊在產品族中具有十分顯著的個性特征。

最后，由公式(1)計算獲得柴油機模塊在小型輪裝產品族中的通用性為CI1=0.429。同理，小型輪裝產品族中其他模塊通用性亦可以獲得。小型輪裝產品族中所有模塊通用性計算列表，見表3所示。在獲得小型輪裝產品族中各模塊的通用性基礎上，各模塊權重均取為0.025，根據公式(9)計算小型輪裝產品族的整體通用性CIpF=0.667。若取平臺水平為0.4時，小型輪裝產品族平臺模塊有:M8, M9, M12, M13,M14, M16, M18, M19, M20, M30, M33, M35, M37, M38, M40。如圖3所示小型輪裝產品族的不同模塊類型通用性。

因此，在圖3中所示的小型輪裝產品族平臺模型及其不同的通用性程度，這表明了該小型輪裝產品族當前的平臺狀態。如果在小型輪裝產品系列中采用同一款柴油機模塊M1時，M1的通用性程度明顯提高，而此時M1也將成為小型輪裝產品族平臺模塊，從而將改變當前的產品族結構形成新的產品族結構。因此，通過對量化模塊通用性指標有利于產品設計者和企業管理者便于對產品族結構演進和產品個性化設計成本控制。

表3　小型輪裝產品族所有模塊通用性數值

圖3　小型輪裝產品族的不同模塊類型通用性

5結論

分別從基于零部件的通用性指標和面向參數化產品族的通用性指標兩個方面進行文獻綜述分析，指出了模塊通用性與產品族演進關系，進一步提出了基于模塊化產品族結構模型的模塊通用性指標，即包括模塊化產品族的模塊功能、結構和特征參數三層要素合成，可以分別實現模塊化產品族整體通用性和個體模塊通用性的衡量。模塊通用性作為企業產品族當前狀態衡量的重要指標，下一步的研究重點在于與模塊創新以及產品族演進創新策略結合進行產品族演進創新設計。

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(編輯李秀敏)

Research on the Module Commonality for product Family Evolution

WANG Hao-lun，GAN Wei-hua

(School of Mechatronic Engineering, East China Jiaotong University, Nanchang 330013,China)

Abstract：The measurement of module commonality has an important significance upon modular product family design or redesign and its evaluation process.The commonality indexbased onparts and commonalityindex for the scale-based product family were analyzed respectively through literature review. The relationship between module commonality and product family evolution was further indicated. On this basis, the module commonality index based on product family modular structural model was proposed, and this index was formed form the modular product family module function, structure and characteristic parameters. This method can be used for measuring the modular product family’s commonality and module commonality respectively. Finally,effectiveness of this method was validated by an application example of wheel loader’s product family.

Key words：module; product family; commonality; index; evolution

中圖分類號：TH162；TG506

文獻標識碼：A

作者簡介：王浩倫(1981—)，男，浙江金華人，華東交通大學講師，博士，研究方向為大規模定制設計、研發與技術創新管理，(E-mail)haolun123@163.com。

*基金項目：國家自然科學基金項目(51165007)；江西省教育廳科學技術研究項目(GJJ13313)

收稿日期：2014-08-06；修回日期：2015-03-30

文章編號：1001-2265(2016)01-0144-05

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.01.040