產品服務系統配置中的成本評估方法

吳 斌 ，沈 瑾 ，馬衛民，奚立峰

（1.上海電機學院 商學院，上海 201306；2.上海交通大學 機械與動力工程學院，上海 200240）

由于全球競爭加劇，制造商開始從以產品為中心向以服務為基礎轉變，并將產品和服務捆綁成一體的解決方案。這些傳遞使用價值，能夠滿足客戶需求的產品服務組合被稱為產品服務系統（Product Service System，PSS）［1-2］?？蛻粜枨蟮亩鄻踊沟枚ㄖ苹疨SS受到更多關注，而配置正是實現定制化的有效手段。產品服務系統配置的目的在于從給定的一組PSS實體中找到能夠滿足客戶需求，且不違反任何實體間約束的配置方案。同時，沒有新的PSS實體被創建，現有的實體間的接口也沒有被修改［2］。

配置問題往往存在弱約束以致有多個可行的配置解。因此，有必要尋找最佳解決方案。在諸多優化目標中，成本最小化是最重要的標準之一。然而，PSS配置方案的成本評估研究目前還比較有限。Wang等［3］提出了一種基于本體的模塊化產品服務配置方法。Long 等［2］建立了一個用于配置特定PSS的支持向量機模型，該模型能同時滿足客戶的功能需求和感知需求。Pezzotta等［4］提出了一個集成產品服務設計建模工具和離散模擬的服務工程框架，從而實現PSS配置方案的比較以及客戶和內部績效的評價。Dong等［5］建立一個基于本體的大規模定制下的PSS配置系統。Geum 等［6］根據接口技術提出了基于產品服務集成路線圖的配置方法。Shilov［7］提出了一種在開放的信息環境下，基于信息服務的高效PSS配置方法。以上研究著重于配置系統的建立和開發，對于配置評價（尤其是PSS配置方案的成本評估）還缺乏研究。

為了填補上述研究的不足，本文旨在提出產品服務系統配置中的成本評估方法。其研究難點在于：

（1）配置方案意味著一組以結構化方式結合的實體。對于PSS，實體不僅包括產品組件，也包括服務模塊［8］。為此，本文基于大規模定制理論和文獻分析法，提出了基于資源、流程和PSS實體3個維度的PSS成本要素，并將PSS實體定義為其中一個維度。

（2）由于服務是面向生命周期的技術性活動［9］，故PSS是一個同時涉及多個系統聯系和互動的成本對象［10-11］。同時，企業又因為服務過程面臨著高度的不確定性［12］，從而加劇了PSS成本估算的復雜性。為此，本文不僅考慮了面向生命周期的分析，還進行了不確定性處理。

（3）配置階段的成本評估主要目的在于進行方案的比較和決策，而不是對絕對成本的精確計算［10］。因此，本文基于成本分解結構和作業成本法，提出了基于比較的成本分析和決策方法，僅比較和評估造成可行配置解之間差異的成本要素。從而減少了所需的數據和信息量，降低了不準確性和不確定性。

1 PSS配置中的成本評估

1.1 理論基礎和方法論

本研究主要的理論基礎是決策理論以及大規模定制理論，并且綜合使用了文獻分析法、成本分解結構、作業成本法和不確定原理。配置問題的弱約束性使得多個可行配置解需要進行合理選擇和有效決策?；诖笠幠６ㄖ评碚撛诜罩械膽?，本文提出了一種基于組件的PSS結構，并作為PSS成本要素的維度之一。成本分解結構是一個層次結構，在本文中具體分解為PSS實體清單。利用作業成本法，采用成本歸因原理和資源消耗導向［10］的特點，本文提出基于PSS成本要素的、自下而上的成本分析和決策方法。此外，還利用不確定性CAPTOE來源［9］對不確定性進行建模。

1.2 PSS配置中的成本評估框架

基于上述理論基礎和方法論，本文提出了如圖1所示的PSS配置中的成本評估框架。本框架包括3個部分，即準備階段、配置階段以及分析和決策階段。配置階段是以傳統的配置求解為核心內容。為了獲得最佳的PSS配置方案，應考慮不同的評價標準，而成本最小化是其中一個重要標準。準備階段主要是由成本要素和不確定性來源CAPTOE 構成，以形成對分析和決策階段的支持。PSS實體清單、流程清單、資源清單以及CAPTOE，以知識庫的形式被預先建立。對于不同的PSS，基于本文提出的清單模板，具體的信息和數據都應實例化。分析和決策階段是整個框架的核心。分析和決策階段的輸入是在配置階段獲得的可行的配置解集合。而輸出則返回到配置階段以提交決策所得最佳PSS 配置方案。其中，EI是本文針對PSS 成本評估提出的一種指標。

2 基于3個維度的PSS成本要素

Settanni等［10］認為PSS 是一個潛在涉及多個系統的相互關聯，同時又相互作用的成本對象。因此，PSS配置方案的成本對象通常是一個或多個以下內容：產品平臺或產品族的一個實例；與產品相關的服務平臺或服務族的一個實例。為了衡量這種成本對象，本文提出了基于3 個維度的PSS 成本要素。PSS成本要素是為實現服務活動和/或產品行為所消耗成本的基本組成。成本要素具體定義被“資源”消耗，被“流程”執行以及被“PSS實體”應用的成本。在PSS 實體清單中定義了所有相關的PSS實體，流程清單中定義了所有PSS生命周期中可能進行的活動，資源清單中則定義了所有可能被活動使用的資源。通過結合PSS實體清單、流程清單和資源清單可以獲得成本要素集合。一個PSS配置方案的最終成本被視為所有相關成本要素的總和。如圖2所示，成本要素CE（i，j，k）被定義為資源i被消耗，流程j被執行和PSS實體k被應用所需的成本，例如在佳能MDS（一種產品服務系統）中，i可以指人力資源，j可以指安裝流程，k可以是MDS中的打印機產品。

圖1 產品服務系統配置中的成本評估框架

圖2 基于3個維度的產品服務系統成本要素

基于PSS成本要素，成本分析可以在結合成本分解結構和作業成本法（ABC）的原理上開展。成本分解結構是一個層次結構，在本文中具體分解為PSS實體清單。作業成本法則采用成本歸因原理和資源消耗導向［10］。由此，成本項與PSS組成結構形成聯系，自下而上的計算方法得以采用。PSS成本要素首先與PSS實體進行關聯；進一步與流程和資源進行關聯。從而PSS配置中的成本分析成為可分解方式，并與配置方案的結構化形式保持一致。

2.1 資源

本文通過文獻分析來獲得PSS資源清單。經過公共數據庫如 EBSCO Business Source Complete、Emerald Insight、Scopus 以及Thomson Reuters ISI，利用關鍵詞組合“產品服務系統”、“成本核算”、“生命周期成本”、“全壽命成本”等的搜索。首先獲得了267篇文獻，清除了明顯超出本文研究范圍的文獻后，有39篇文獻留下并被分析?；谶@些文獻，所有有關PSS資源的術語按照文獻的成熟度進行排名，在選擇成熟度高的文獻術語后，再將具有類似含義的術語進行合并，最終提出以樹狀結構表達的PSS成本要素的資源清單，如圖3所示。為了更好地理解和分類，本文提出人力資源、物質資源與非物質資源等3大資源類別。

圖3 PSS成本要素的資源清單

2.2 流程

PSS配置方案是一個結合有形產品和無形服務的集成系統，并且在整個生命周期內對客戶價值進行優化［13］。因此，跟蹤流程中各活動的成本十分重要，因為許多流程發生在未來時間（例如，由于突發故障的計劃外維修，容量需求變化而做的修改等）［14］。然而，目前大量的工作仍然圍繞在產品制造階段，缺乏從更廣泛的生命周期角度的研究［15］。從更廣泛的生命周期的角度來看，資源不僅通過生產、使用和處置核心產品被消耗，也為相關服務的發展和提供所消耗。與2.1節的分析方法類似，本文提出PSS成本要素的流程清單，如圖4所示。為了更好地分類和表達，本文提出3 個不同階段，即獲取、運行和終止?；谠撉鍐危敿毜牧鞒?、活動可以在特定情況下予以具體化。

2.3 PSS實體

為了有效滿足日益多樣化的客戶需求，大規模產品定制的理論和方法已被應用于服務，如服務族［16］、服務模塊［17］、服務平臺［18］等。這些研究論證了一個觀點，即服務也可以具有基于組件的結構［19］。因此，本文提出了一種基于組件的PSS 結構，可配置的PSS由各種PSS實體組成，主要包括產品組件和服務模塊。其中，產品組件可以基于大規模定制理論，以GBOM 的形式［20］進行建模。產品組件形式的PSS實體可以在不同層次，并且由不同參數的選擇而確定。

圖4 PSS成本要素的流程清單

以服務模塊形式的PSS 實體則作為構建塊來支持服務組合，這意味著一個服務模塊可以由其他模塊組成。服務模塊也可以是另一個模塊的子類，即2個服務模塊之間形成父子關系。PSS服務模塊之間的關聯主要分為組成和子類兩種。因此，PSS中的服務模塊也可以采用與產品組件相似的建模方式。本文以圖5 的形式表示PSS 成本要素中的PSS實體清單，其中虛線反映了產品組件和服務模塊之間的相互作用，這使得PSS作為一個整體向客戶提供使用價值。

圖5 PSS成本要素的PSS實體清單

3 基于比較的成本分析和決策方法

PSS配置中的成本評估主要目的在于進行配置方案的比較和決策，而不是對絕對成本的準確估算。因此，本文采用了簡化的成本分析方法，僅比較和分析造成可行配置解之間差異的成本要素，進而完成對多個配置解的選擇和決策。

本文提出了PSS成本評價指標（EI）。EI計算值不代表實際成本，只用于支持比較與決策。較高EI表示評價對象具有較高的成本。EI可以用于成本要素，也可以用于配置方案，而方案的成本就是由各個成本要素構成的。本文提出的成本評估方法的主要原理在于，比較和評價PSS配置階段中各個可行配置方案的不同成本要素，由此判斷各方案之間的成本高低。下面給出EI計算以及對可行配置方案進行決策的步驟，如圖6所示。

圖6 成本分析方法的步驟圖

（1）識別不同的PSS實體。由于本方法是基于比較的，故首先從可行目錄｛Sx，x=1，2，…，n｝中挑出2個配置方案S1、S2。根據PSS成本要素的定義，成本要素首先與PSS實體關聯。因此，基于2.3節提出的實體清單來識別不同的PSS實體，進而識別不同的成本要素。最終，一組具有不同PSS實體的成本元素

被確認并進一步分析。

（2）確定流程項目和相應的流程驅動要素。對于在（1）中確認的每一個PSS實體k，其構成成本要素CE x（i，j，k）的流程i被確定，相應的成本驅動要素也要被確認。

（3）確定資源項目和相應的資源驅動要素。對于在（2）中確認的每一個流程i，其構成成本要素CE x（i，j，k）的資源j被確定，相應的成本驅動要素也得到確認。由于本方法以比較作為理論基礎，故對于在同一流程，可以只對使用不同資源的部分進行識別，從而減少數據使用和不確定性。

（4）測量資源消耗和建立初始EI。通過（1）～（3）所確定的成本要素CE x（i，j，k），其初始EI可以在成本驅動要素、資源消耗量和資源單位成本的基礎上進行計算。計算方法與作業成本法類似。故對于配置方案S1、S2，最初的EI1和EI2分別由所有CE1（i，j，k）與CE2（i，j，k）的EI求和而得。

（5）對不確定性建模及調整EI。PSS實現過程中，常常有一些不確定事件，如錯誤流程、組織的不確定性等。計算PSS成本不得不考慮這些不確定性［21］，因此，用范圍值表征成本比用固定值更為現實［22］。本文利用不確定性CAPTOE來源對不確定性進行建模，并且添加范圍±Δ到初始EI。限于篇幅，關于CAPTOE 不確定性處理的細節可以參考文獻［9］。最終，配置方案S1、S2的成本比較，可以通過經過更新的EI1和EI2的差異值（EI1±Δ1）-（EI2±Δ2）來反映。

（6）確定和排序所有的EI x。重復（1）～（5），對于可行目錄｛Sx，x=1，2，…，n｝中所有配置方案，都應進行兩兩比較和評價。最終實現所有可行配置方案的排序。配置工程師將推薦選擇EI值最低，即成本相對較低的配置解決方案。

4 案 例

為了驗證本研究的可行性，一個泵產品服務系統被用來進行案例研究。該PSS 以高壓泵為核心，并提供處理干凈或輕微腐蝕性流體的相關服務。在化學、制藥工業，食品、消防等多個行業有廣泛的應用。通過配置活動，該PSS 具有多個變型參數，能夠滿足客戶的定制需求。按照所提框架的準備階段要求，首先建立基于3個維度的成本要素中的PPS實體清單。該清單的部分內容如圖7所示。

圖7 PSS實體清單

對于某一次配置活動，配置器會給出滿足相應客戶價值的4個配置解決方案。配置工程師則需要從這4個配置方案中選擇最好的一個。而成本是其中一個重要的評價標準。遵循所提框架在評估階段的分析方法，首先要確定配置解決方案中用于比較的不同PSS實體，如表1所示。

為了說明如何對這些解決方案進行排序，以及如何計算EI，本文以方案1、2為例，因為它們在可行目錄中具有最顯著的差別。成本要素

表1 各方案中的差異PSS實體

其中，泵外殼、維修服務和備件物流服務分別為實體k。對于每一個CE，進一步確定和分析相應的流程i和資源j。如表2所示，有3個流程，2個資源支持泵實體的實現。零部件資源是這些成本要素中唯一的不同項目。因此，CE1（i，j，1）和CE2（i，j，2）的EI可以被確定，并基于零部件的資源消耗量和資源單位成本進行計算。

表2 CE1（i，j，1）和CE2（i j，2）的計算

如表3所示，有4個流程，3個資源支持維修服務的實現。而2個實體的區別（替換戰略，最小維修策略）在于零部件資源。因此，它們的EI是由資源消耗的估計而設定。然而，不同的維修策略導致不同的估計維修時間，這會影響資源消耗。

表3 CE1（i，j，2）和CE2（i，j，2）的計算

預估修理時間計算如下：在失效策略下，如果N（t）是隨時間變化的故障總數，則預期的故障數在區間（0，t）內的預估為

其中：MTBF是平均故障間隔時間，使用兩參數韋伯分布模型對泵的壽命進行建模；η為尺度參數；Γ為伽瑪函數；β為形狀參數。

在故障策略情況下，如果N（t）是隨時間變化的故障總數，則在區間（0，t）內，預期的故障數

如表4所示，不同的流程支持備件物流服務的實現。因此，CE1（i，j，3）和CE2（i，j，3）的EI是在相應的資源消耗的基礎上進行計算的。得到初始EI后，通過使用CAPTO，確認不確定性范圍，并更新EI，如表5所示。

表4 CE1（i，j，3）和CE2（i，j，3）的計算

表5 不確定性下的EI 更新

S1和S2之間的比較用來說明，這表明，S1具有更高的成本。對可行目錄中的4個方案進行兩兩比較，經過6次比較得到表6中的比較列表，可見解決方案4的成本相對最低。

表6 比較列表

5 結語

由于日益復雜的客戶需求，配置系統被越來越多地用于作為一種有效設計定制產品服務系統的手段。因為配置問題往往是弱約束，會產生多個可行配置解，所以，為了輔助配置問題的決策而進行成本評估非常重要。然而，學術界目前對該問題的研究還相當有限。本文提出了PSS配置中的成本評估框架，為進行可行PSS配置解決方案的決策提供了一套成本分析方法。值得注意的是，本文討論的成本評估是在PSS配置評價階段，這意味著PSS已經是成熟設計并且設計信息的可用性也較高。此外，要實現配置活動，平臺設計或族設計往往會被采用。這使得各配置方案之間結構相似但在一些設計參數上會有不同的選擇。因而，需要評估和比較的成本要素的數量是有限的，相應的分析和計算工作量是可以承受的。

本文提出的框架也有助于企業中配置工程師的工作。首先，它可以成為工程師組織配置活動的管理指導。并且，本文提出的評估框架是通用的，可以應用于各種類型的PSS；其次，準備階段中建立的流程與資源清單可以作為知識庫，指導特定PSS中的實例化；最后，分析和決策方法本身可以作為一個決策工具，成為已有PSS配置器的有效補充。

本文目前對不確定因素的處理還需要專家的主觀評價，將來的研究將引入仿真等方法以進一步改進對不確定因素的處理。