工業產品服務系統需求模型構建研究

趙馨智ZHAO Xin-zhi（天津大學 管理與經濟學部，天津 300072）

人工智能

工業產品服務系統需求模型構建研究

趙馨智
ZHAO Xin-zhi
（天津大學 管理與經濟學部，天津 300072）

工業產品服務系統是制造服務化趨勢下出現的新的價值交付模式。工業產品服務系統由于其復雜結構、行為和多主體參與的特點，其需求也具有復雜多變的特點。傳統的需求開發方法無法保證需求分析的完整性與一致性?；趫鼍胺治龇椒?，面向同一個應用場景，來引導需求者、設計者和服務提供者對整個系統交付過程和結果進行評估和需求識別。建立了不同視角下的需求要素模型，并通過不同視角之間的需求要素映射關系，建立需求集成分析過程模型，從而構建了完整的工業產品服務系統需求模型，能夠用于工業產品服務系統的需求識別和快速設計。

工業產品服務系統；需求模型；場景

0　引言

工業產品服務系統是制造服務化趨勢下出現的新的價值交付模式。工業產品服務系統以工業產品和生命周期服務為終端交付、以B2B為主要商業環境，以多參與者構成支撐網絡和組織結構為主體，滿足工業品客戶全生命周期個性化需求為目標的價值交付模式［1］。隨著客戶中心化和個性化定制的不斷發展，需求識別與分析對于客戶滿意和交付成功與否起到了越來越大的影響。如何從需求的視角解構工業產品服務系統，成為工業產品服務系統設計過程的首要環節。

工業產品服務系統由于其復雜結構、行為和多主體參與的特點，其需求也具有復雜多變的特點。工業產品服務系統構成要素及其復雜，包括了對用戶直接相關的產品需求、產品服務需求，還包括交付過程中的各類專業化服務需求、設計服務、制造服務需求，以及內部客戶對交付網絡節點之間的協同服務需求，需求要素多樣且復雜。工業產品服務系統的一個顯著特征是用戶參與產品及服務設計，伴隨用戶、設計者和交付供應商的參與和交互，在設計和交付過程中，內外部用戶對工業產品服務系統的需求理解不斷深入和具體化，對開始模糊的需求有了新的認識，往往會發現新的需求，或者產生需求變更，因此存在需求多變的情況。面向工業產品服務系統復雜的需求特性，需要規范化的需求開發方法和程序，進行完整的工業產品服務系統需求建模和分析，從而提高需求的準確性和需求轉化的可控性。

1　當前研究評述

目前對“需求”還沒有一個全面的、能夠達成共識的定義。文獻［2］認為，需求是系統或體系為解決問題或完成目標所必須滿足的條件或能力，具體包括功能、性能需求、技術、設計、業務約束等。文獻［3］認為需求實際上是一個對用戶意圖不斷進行解釋和判斷的過程，目的在于細化產品的作用范圍，確定功能和性能、約束、環境等。需求是問題信息和系統行為、特征、設計和制造約束的描述的集合。不同的角度有不同的需求，從用戶角度，需求是從系統外部發現系統所具有的滿足用戶的特點、功能和屬性。從開發者角度，需求是指明必須實現什么的規格說明，描述系統的行為、特性和屬性，是在開發過程中對系統的約束。

本文認為，完整的系統需求是從不同的領域和視角，定義系統的外部環境、目標和內部特征，界定系統所應具備的功能、行為、能力和約束，并表征不同的特征之間的相互關聯。

當前針對產品服務系統需求模型構建的研究較少，文獻［4］綜合了產品需求分析方法、軟件工程方法等相關方法的基礎上，提出了針對產品服務系統的需求工程的框架，但未能提出具體的需求建模方法。而對于需求建模方法的研究，則主要集中于面向產品的需求分析，重點圍繞產品需求獲取［5］、需求優先度［6］和需求權重確定［7，8］等；也有專門針對服務系統的需求模型構建的研究［9］。而對于產品服務系統的需求分析，主要集中對產品服務包的客戶需求獲取和需求優先度的研究［10，11］，而未能注意到整個產品服務過程需求和能力需求。工業產品服務系統的需求模型，應該涵蓋從交付需求到過程需求和能力需求的完整維度，面向不同的場景進行需求分析，而不能僅限于產品服務包的需求。因此，本文基于iPS2完整的應用場景，分析不同場景下的需求類型和需求內容，從交付需求、過程需求、架構需求的角度，構建iPS2完整的需求模型。

2　基于場景的iPS2需求分析

2.1場景視角下多視角需求結構模型

傳統建立在訪談法、問答法、調研法基礎上的需求提問技術難以保證多用戶、多領域人員的個性需求表達一致性，需要采用新的方法來實現完整需求的獲取。

iPS2場景對iPS2的系統要素的使用特征進行系統描述和實例化描述，是對iPS2的整體行為及其環境特性的描述和界定。場景描述的是客戶使用iPS2完成任務過程、過程中交互行為以及應用環境的具體特征。由于場景是對iPS2整體結構和環境的現實表達，用戶和相關方在同一個應用環境中，具有統一的背景，因此相較于傳統方法，提供了一個統一的知識環境，能夠支持所有的相關方的需求描述能夠更加直觀和完整，建立的需求特征模型也能夠更加真實和完整。因此，基于場景分析能夠保證需求獲取的完整性和一致性。

對需求的獲取，不能夠僅僅停留在復制用戶的主觀期望，而應該是按需服務拉動與主動服務推動的結合。要在基于客戶需求滿足的基礎上，結合iPS2本身的戰略目標定位，建立供需雙邊的共贏目標。理想的服務需求特征結構，要對需求端和供給端雙邊的服務任務、服務要素和服務需求進行綜合的分析和表達，從而能夠真實、完整、有效、深層次的構建iPS2的需求結構。

在一個完整的服務提供的交互場景中，同樣一組服務行為，涉及到服務需求求者、服務提供者、服務匹配者三個角色，三者從不同的維度對iPS2的服務交互任務有不同的理解和認知。在一個共同的場景下，立足于不同的服務參與者，采用不同的視角來挖掘不同類型的需求，并解構出各類需求之間的聯系，以多視角互補來彌補單一角色需求表達的單一性，能夠最大程度的深化服務場景任務需求的表達。多視角多維度對任務需求進行識別，就要求不同的相關者從各自角度出發，映射出不同維度的需求認知，進而通過多視角集成來確定iPS2的完整需求內容。如圖1所示是iPS2多視角需求結構模型。

圖1　iPS2多視角需求結構模型

服務需求者視角從需求方應用角度出發，側重關注iPS2的功能交付特征，從這個視角上來定義iPS2應具備何種交付功能。服務需求者視角所定義的需求，定義了iPS2中產品與服務連續體應用場景的基本需求特征。

服務設計者視角從iPS2的系統設計和需求/供給匹配的角度出發，關注iPS2的功能結構、過程能力、資源配置，通過產品服務交付過程網絡的設計，來實現需求響應以及供需平衡的匹配，尤其是供給過程中的能力需求的分析。

服務提供者視角從服務實現的角度出發，關注供應網絡的資源結構和服務交付規則和體系架構。

不同領域的人員從不同視角關注iPS2的系統需求，針對不同的需求維度，選擇相應的研究模式，突出不同的需求內容，并根據需求的主題進行劃分。三個維度不是孤立的，分別從交付價值、系統機制和服務資源考慮，并且是存在相互關聯。三個視角分別定義了iPS2的一個維度的需求內容，三個維度視角的集成，能夠構建出完整的iPS2需求模型。

2.2iPS2需求模型構建

2.2.1單維度需求要素

對應于三個維度視角，iPS2的需求包括應用場景功能要求、過程能力需求和資源體系架構要求。應用場景視圖要求從服務需求者對iPS2的應用場景中各種交互任務的視角，對工業產品服務系統的應用功能提出了要求，從而定義了iPS2的交付目標。能力需求視圖則從服務設計者的視角，對工業產品服務系統所應具備的對外交付能力和為了保證交付而應具有的過程實現能力提出了設計需求。而體系架構視圖則是從服務提供者的系統架構和組織形態視角，定義了應該構建什么樣的能力載體和能力運作規則，來實現能力組合，來滿足最終的應用功能需求。

1）應用場景需求要素

復雜工業產品的物理實體、產品應用技術服務、現場服務融匯成一個基本場景，客戶、最終操作者、服務人員、服務提供商等相關者在同一個環境中，與iPS2本體及其外部環境進行交互。應用場景定義了iPS2的技術性能要求、客戶投資目的、運行使用成本、實際服務要求，同時通過環境分析和場景設計，來定義iPS2的使用者、提供者、使用時間、使用地點、產品及服務形式等基本要素。通過對應用場景的規劃和設計，能夠定義iPS2的功能要求，進而確定設計邊界。

通過對場景構成要素的分解，根據需求知識性質的不同，對場景交互中產生的不同需求進行分類。如圖2所示，功能場景的需求可以劃分使命要求、目標要求以及功能要求。

（1）使命要求包含了iPS2的外部用戶的價值期望、功能期望；以及內部對iPS2的戰略定位和盈利模式要求。通過內外部要求的合并，從而界定iPS2所力求實現的使命。同時，使命要求也定義了iPS2的設計要求和設計沖突的解決原則。當后期設計和運行發生沖突問題時，可以根據使命要求來排定問題和對策的優先級別。

（2）目標要求主要是在iPS2使命的基礎上，進一步精確化，界定iPS2的價值目標和客戶關系目標。

（3）功能要求包括產品需求、服務需求和商務需求。

產品需求是關于裝備的物理實體的功能要求集合，包括應用工況、技術性能要求、產品實現功能、可靠性要求等各類標準化和個性化的功能要求。

服務需求是圍繞產品的服務過程和服務結果的功能要求集合，包括服務標準、服務內容、服務流程等各類標準化和個性化的功能要求。

商務需求是圍繞產品和服務交付過程中的涉及到交付條件、專業服務（法律、金融）等為促進產品服務系統轉移交付的各類標準化和個性化的功能要求。

三類需求的綜合，界定了iPS2的基本功能需求框架。

2）能力需求要素

能力需求視圖則從服務設計實現的視角分析了iPS2的設計要求。從需求內容上，如圖3所示，定義了iPS2面向需求側的交付能力，以及供給側的過程能力。

（1）交付能力主要是“產品+服務”集成方案的設計要求。即產品、服務以及產品服務組合的設計要求。交付能力要求是從需求者視角的功能要求轉化而來，需求分析的產物不是客戶角度的功能，而是設計者角度的設計實現的具體需求。

（2）過程能力主要是產品服務過程網絡的設計要求。是為了分析能夠交付設計產品和服務，所需要的供給平臺和供給網絡的設計特性。也就是說，為了能夠對外交付產品和服務，需要設計何種過程活動、配置何種資源、由何種角色來執行。過程能力的需求來自于交付能力要求與當前供給資源之間的匹配分析。

3）體系架構需求要素

體系視圖從服務提供者的角度來定義iPS2的組織設計要求。如圖4所示，提出對iPS2的組織結構、組織形態和運行規則的要求。

圖2　功能場景視圖的需求要素屬性

圖3　能力視圖下的需求要素

圖4　架構視圖下的需求要素

圖5　需求要素關系模型

2.2.2需求要素關系分析

三種需求視圖分別建立在不同的相關者視角上，能夠反映對應的相關者的需求和愿望，形成對iPS2需求模型的某一視角需求信息的描述。三種需求視圖之間存在關聯映射關系，如圖5所示，應用場景視圖是能力需求和體系架構需求的基礎，只有明確了iPS2需要應用的最終使用環境和任務目標，才能夠考慮需要如何獲取能力資源來實現的問題。能力需求視圖是設計需求的核心，只有規范的能力要求被清晰的定義，才能夠明確具體的設計任務，從而定義設計的范圍。體系架構需求視圖則是能力需求視圖的形式化載體，通過將能力視圖中對內外能力的功能指標轉化為系統架構，才能夠更加直觀的體現能力之間的關系，從而進一步深化能力需求。

2.2.3基于關系模型的需求分析過程

圖6　需求分析過程

三個視圖之間實際上也是整個iPS2需求逐級映射演化過程，三個視圖的不同需求分析過程之間，具有相應的分解和映射關系。基于需求要素的關聯關系，如圖6所示，可以建立需求分析過程模型。

iPS2的基本邏輯是面向客戶的拉動服務邏輯。因此，需求分析首先從服務功能場景分析開始，通過獲取客戶對系統應用功能的期望，定義iPS2的使命、目標，建立完整的應用場景。并通過對場景中交互行為的分解，提取iPS2的應用任務，從而明確iPS2的功能需求。

通過用戶的功能需求與產品服務設計要求之間的映射關系，建立需求者視圖與設計者視圖之間的關系。從功能需求轉化為具體的產品和服務的設計要求特性。進而通過結果與過程的映射關系，建立交付過程的能力要求結構。

通過對交付過程中的活動、資源和角色要求的特征提取，建立過程模型與組織結構和系統規則之間的映射關系，從服務提供者的角度，提出iPS2應具備的組織形態和運作機制。并進而反饋到需求者和設計者，通過反復迭代，最終形成滿意的iPS2的需求結構。

2.2.4需求模型構建

不同視圖下對iPS2的需求內容不同，根據不同視圖下的需求建立需求內容模型，然后根據需求要素關系建立不同視圖下的需求結構模型，用于不同的iPS2設計目的，是iPS2需求模型構建的基本方法。根據功能場景分析，建立功能服務需求清單（Bill of Service oriented to Function，FBOS）；根據能力要求，建立過程服務需求清單（Bill of Service oriented to Process，PBOS）；根據體系架構分析，建立服務組織需求清單（Bill of Service oriented to Organization，OBOS）。

FBOS用于“產品+服務”解決方案的設計任務輸入。PBOS和OBOS用于產品服務過程網絡的設計任務輸入。“FBOS-PBOS-OBOS”的映射轉化過程中，包含了iPS2運作機制的應用。

1）FBOS

FBOS以物料名或服務名稱表征功能需求，每一個節點具有各自的功能屬性要求。根據結構關系，構成如圖7所示的FBOS。

圖7　FBOS

FBOS可以形式化定義為四元組：

其中P表示產品模塊集；S表示產品服務模塊集；R表示產品模塊與服務模塊的結構關系集；Q表示模塊之間的數量關系集。

進一步：

其中，Pc表示產品構成的零部件；Rp表示零部件之間的構成關系，Qp表示零部件之間的數量關系。

其中，Sc表示產品服務組件，Rs表示服務之間的交互關系，Qs表示所需的服務組件需求量。

2）PBOS

根據功能實現所需的活動和資源，對FBOS進行服務對應、拆分和組合，按照時序關系到向分解，構建過程服務需求清單，如圖8所示。

PBOS中以服務名表示服務需求，每一節點涵蓋了服務實現所需的活動、資源，根據實際所需建立。

PBOS可以形式化定義為：

其中Ps表示制造服務模塊集；Sp表示產品服務模塊集；Rps表示制造服務模塊與產品服務模塊的結構關系集；QPS表示制造服務模塊與產品服務模塊之間的數量關系集；RA表示制造服務之間的關系集；QA表示制造服務之間的數量關系；CA表示制造服務的服務成本；TA表示制造服務的服務周期。

3）OBOS

根據PBOS服務所需的活動-角色的對應關系，建立OBOS，如圖9所示。不同節點之間的聯線不是上下關系，而是業務交付關系。

OBOS可以形式化定義為二元組：

圖8　PBOS

其中，O表示角色對象，R表示角色關系。

2.2.5需求模型的應用

通過“FBOS-PBOS-OBOS”的構建和映射轉化，iPS2的相關者能夠在同一的語義信息下獲得不同視角下的完整的需求信息，需求者、設計者和服務提供者能夠圍繞一致的需求信息進行溝通，不同的相關者也可以在相應的視圖下開展相應的需求分析和設計。同時集成的需求模型也為并快速復用提供了可能，通過對“FBOSPBOS-OBOS”模型語義的相似性推理，能夠快速的匹配相似案例，為iPS2的系統設計提供快速應用實現。

圖9　OBOS

3　結論

工業產品服務系統需求復雜多變，傳統的需求分析方法無法保證需求獲取的完整性和一致性。基于場景的方法通過分析iPS2的運行場景，根據應用場景特征來逐項分解iPS2的各種行為和目標，來引導客戶、設計者和服務提供者對整個系統交付過程和結果進行評估和需求識別，能夠引導并提煉出完整的系統信息。

本文從服務需求者-服務設計者-服務提供者視角對同一個應用場景進行需求識別，并建立需求要素模型，通過不同視角之間的映射關系，建立需求集成分析過程模型，從而構建了完整的工業產品服務系統需求模型。能夠用于工業產品服務系統的需求識別和快速設計。

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Research on the construction of demand model of industrial product service system

C931；TH39

A

1009-0134（2016）06-0006-07

2016-03-16

科技部創新方法工作專項（2012IM040500，2013IM030100）；高等學校博士學科點專項科研（20120032110035）

趙馨智（1982 -），男，山東臨清人，博士研究生，研究方向為工業產品服務系統、管理創新、現代工業工程理論與方法。