產品模塊化率評估指標和方法研究

顧新建，田楚楚,2，楊青海，石 浩 ，顧 復，陳芨熙

(1.浙江大學 機械工程學院，浙江 杭州 310027；2.浙江每日互動網絡科技股份有限公司 b2d-研發部，浙江 杭州 310018；3.中國標準化研究院 高新技術標準化研究所,北京 100191)

已經到來的新一輪工業革命，在德國叫“工業4.0”、在美國被稱為“工業互聯網”.其目標是實現大規模定制，即：產品是多樣化和個性化的，但其制造成本、效率和速度與大批量生產相差無幾.實現大規模定制的方法主要是智能制造和大范圍的專業化分工.對于許多產品，如機械類、家電類、家具類、建筑類等產品，實現大規模定制的有效方法之一是對多樣化和個性化產品中的零部件進行模塊化，目標是提高零部件通用化和標準化程度，有效支持深度的專業化分工，形成較大的零部件成組批量，以便采用面向大批量生產的專業化自動生產線進行加工；少數的專用零部件可采用智能制造方法進行加工，從而達到大規模定制的目的.

模塊化設計作為一種設計方法，近幾年日益受到人們的重視，隨著模塊化技術逐漸成熟，其應用范圍逐步擴大，已經在許多行業的應用中取得顯著的經濟效益.模塊化是實現大規模定制的主要方法，也是新一輪工業革命的基礎之一.模塊化在新一輪科技革命中依然具有重要價值.模塊化設計的直接目標是實現產品結構優化(它可以用模塊化率指標進行評估)，其最終目標是提高企業的經濟效益和環境友好性.產品模塊化的經濟效益和環境友好性評估已經在文獻[1]中進行討論.本文主要討論產品模塊化率的評估指標和方法.模塊化率通常與產品模塊化的經濟效益和環境友好性正相關.模塊化率又稱模塊化程度.

模塊化率評估的需求主要體現在：①在模塊化立項階段，需要了解模塊化可能會優化到什么深度；②在模塊化實施階段，需要考慮如何提高產品的模塊化率；③在模塊化設計完成階段，需要評估產品的模塊化率.模塊化率評估是模塊化設計的重要環節，有助于減少模塊化的盲目性.一個全面科學合理的模塊化率評估指標體系可以有效支持企業的模塊化工作決策.模塊化率評估結果的反饋，使得模塊化設計過程成為一個閉環，有利于不斷提高企業模塊化產品的質量和用戶滿意度.

國內外學者曾對模塊化率評估進行過研究.劉夫云等采用復雜網絡理論對產品模塊化率進行了比較分析，但所導出的模塊化率評估參數還不夠直觀，工程應用較難[2].吳煥民等采用模塊獨立性指標，基于模糊聚類方法進行產品模塊分解，但其評估指標比較單一，不能全面反映模塊化情況[3].WEI等提出一種支持產品平臺設計的多準則模塊分解方法[4].這里的模塊化評估準則主要是模塊獨立性和可靠性.劉麗萍從模塊化設計思想出發，對模塊的標準化程度評估方法進行探討，研究了模塊化產品結構和產品繼承性的分析方法[5].安苗苗基于情感化設計，選定本能、行為、反思層的不同指標，通過模糊層次分析法得到了手機模塊化率評估結果，并對手機模塊化設計體系進行了系統評估[6].其中存在大量專家打分情況，評估結論的主觀程度偏大.王玉豪分析模塊化產品設計評估指標后建立層次評估模型，對模塊化產品設計的個性化程度進行評估，在多個設計方案中選出了最優的模塊化產品設計方案[7].該方法需要在模塊化設計前期收集大量用戶需求數據，同時其降低了設計人員意見所占權重，導致模塊化設計工作的難度加大.單泉等以產品定制度和用戶滿意度為準則，對定制產品的模塊化進行評估，其評估指標較為單一，缺乏綜合性評估[8].張雪等從縮短制造周期、降本增效的角度出發，對國內外船舶模塊化建造方法進行評估[9].其評估方法專門針對船舶制造領域，對其他機械模塊化率評估的通用性不足.STANKIEWICZ等提出的基于單獨區分網絡元素的模塊建模評估方法，側重于對模塊建模方法的評估[10].GRIMMELIUS通過模塊化空調器的早期故障評估信息反饋來減少設計失誤，而缺乏對模塊化空調器生命周期的整體評估[11].

本文基于相關文獻，擬提出模塊化率評估指標體系，并針對其中各指標提出具體的計算方法，以期實現產品模塊化率的定量評估.

1 模塊化過程與模塊化率評估

模塊化率評估是圍繞模塊化過程展開的.模塊化過程包括模塊化設計、制造、裝配、維護和回收等產品生命周期各環節，其中模塊化設計是模塊化的關鍵.

模塊化設計主要包括：①對產品中的模塊進行分解；②對產品通用模塊和配置方法進行標準化處理，并建立模塊化平臺；③針對個性化訂單，開展基于模塊化平臺的配置設計和變型設計.模塊化率評估指標與模塊化產品設計的優化目標直接相關.

1.1 模塊分解階段的模塊化率評估

產品的模塊分解，首先需要開展市場調研，收集并預測客戶需求，然后提出產品總體設計要求，再將產品劃分為若干功能和結構單元，確定模塊分解方案[12].通常采用先整體后局部，先主要后次要，先功能后結構的分解順序，對產品進行模塊分解.首先分解核心模塊，然后再劃分其他次要的模塊，最后處理那些輔助性模塊.圖1所示為產品模塊樹型結構分解示意圖.

圖1 產品模塊樹型結構分解示意圖

例如，最初的計算機是整體式架構，其設計和維護難度很大.在20世紀60年代，IBM公司實現了計算機模塊化.其模塊可分別開發和設計，使計算機技術得到迅速發展.同時，計算機的模塊化導致硅谷的誕生，出現了許許多多有能力開發計算機不同模塊的創新型小企業[13].

模塊分解的優化目標是：模塊間的關聯度(又稱聚合度)要盡可能小，模塊內各零部件的關聯度要盡可能大(圖2).因此，在產品模塊分解階段，模塊化率的評估指標是模塊獨立性和模塊封裝性.

圖2 產品模塊分解的優化目標

1.2 模塊通用化和標準化階段的模塊化率評估

在模塊通用化和標準化階段，需要對不同產品的相似模塊進行建模，使盡可能多的模塊實現通用化和標準化，以提高模塊批量.這里，建模的主要工作包括：首先識別不同產品中的模塊相似性，確定模塊的少量主參數(主參數少則容易控制)；然后通過主參數控制其他模塊參數的變化，建立模塊主模型(包括模塊主圖和事物特性表)，將模塊接口標準化，設計支持模塊配置的產品主結構等；最終構成模塊化設計平臺.

產品模塊通用化和標準化的優化目標是：提高模塊的通用化程度，盡可能將專用模塊轉變為通用模塊，而將通用模塊轉變為標準模塊，以降低生產成本.該階段的模塊化率評估指標為模塊的通用性(圖3).

圖3 產品模塊通用化和標準化階段的模塊化率評估指標

1.3 產品配置和變型設計階段的模塊化率評估

在建立模塊化產品設計平臺的基礎上，可根據用戶個性化需求，在用戶訂單到達后快速進行基于產品主結構的產品配置設計[14]和基于產品主模型的變型設計[15].基于產品主結構的產品配置設計優化目標是：用盡可能少的通用模塊配置盡可能多的產品變型.基于產品主模型的產品變型設計優化目標是：產品模塊的變化在盡可能小的范圍內，滿足用戶盡可能多的個性化需求.

因此，在產品配置和變型設計階段，模塊化率評估指標為：所配置和變型的不同產品數量的增加率、所配置和變型產品中不同模塊數量的減少率等(圖4).

圖4 產品配置和變型設計階段的模塊化率評估指標

1.4 模塊化率評估指標體系

將上述3個階段的模塊化率評估指標集中在一起，可得圖5所示的產品模塊化率評估指標.對于企業，5個指標還是偏多.對指標間的相關性分析可知，模塊獨立性和模塊封裝性這兩個指標高度相關；而模塊通用性直接影響所配置和變型的不同產品數量的增加率、所配置和變型產品中不同模塊的減少率這兩個指標.因此，產品模塊化率評估指標可最終選取模塊獨立性和模塊通用性這兩個評估指標.

圖5 產品模塊化率評估指標

2 模塊化率評估指標計算方法

2.1 模塊獨立性評估算法

模塊的獨立性是指模塊功能提高對產品其他模塊的影響度.模塊獨立性越強，模塊功能改善對產品其他模塊的影響越小.

記模塊i與模塊j的關聯度為ki,j，且ki,j取值在0到1之間，其中1≤i，j≤q，則產品中q個模塊之間的關聯度(Module Correlation,MC)為：

(1)

模塊獨立性 (Module Independence,MI)與模塊功能關聯度MC的關系為：

MI=1-MC

(2)

2.2 模塊通用性評估算法

模塊的通用性(Module Universality,MU)(又稱模塊通用率、可重用性、可再用性、可復用性等)可以通過模塊在不同產品中的使用頻率來評估.

模塊通用性評估方法有多種，按照所依據數據從少到多、計算難度從小到大，依次為：基于通用模塊數量的模塊通用性評估，基于通用模塊價值的模塊通用性評估，基于重復使用次數的模塊通用性評估，基于重復使用次數和模塊價值的模塊通用性評估.

2.2.1 基于通用模塊數量的模塊通用性評估

已知產品族中不同產品的通用模塊種類數TM和產品族中不同零部件種類數TP，則基于通用模塊數量的通用性為：

MU1=TM/TP

(3)

顯然，TM≤TP，當產品中不同零部件都為通用模塊時，模塊通用性為1.

這里，至少在兩種不同產品中使用的模塊稱為通用模塊.

2.2.2 基于通用模塊價值的模塊通用性評估

已知產品族中不同產品的通用模塊總價值TMV和不同產品的總價值TPV，則基于通用模塊價值的模塊通用性為：

MU2=TMV/TPV

(4)

顯然，當產品族中不同產品的零部件都為通用模塊時，模塊通用性為1.通用性并不與產品的價值完全一致.

例如，汽車底盤和標準螺栓都是通用件，但兩者的價值顯著不同.

2.2.3 基于重復使用次數的模塊通用性評估

通過提高模塊在不同產品中的重復使用次數，可提高模塊通用性和覆蓋率.通用模塊在產品族的不同產品中使用次數越多，模塊通用性越強，成本就越低.

記通用模塊h在產品p中使用時kh,p=1，不使用時kh,p=0，有1≤h≤f，1≤p≤g，其中f為通用模塊數，g為不同產品數，并設l為不同的零部件數，f≤l，則基于重復使用次數的模塊通用性為：

(5)

顯然，當所有的零部件都為通用模塊，并且在所有產品中都應用的話，模塊通用性為1.

2.2.4 基于重復使用次數和模塊價值的模塊通用

性評估

通過模塊在產品族的不同產品中的重復使用次數進行評估，并同時考慮模塊的價值.

記模塊h的價值為Vh，則基于重復使用次數和模塊價值的模塊通用性為：

(6)

3 案例分析

本文通過對家用豆漿機產品的模塊化率的評估來驗證論文提出的方法[16].

3.1 家用豆漿機模塊分解

圖6所示為家用豆漿機的結構示意圖.

圖6 家用豆漿機的結構示意圖

家用豆漿機的模塊分解結果如圖7所示.

圖7 家用豆漿機的模塊分解結果

3.2 家用豆漿機模塊化率評估

3.2.1 家用豆漿機模塊的獨立性評估

根據家用豆漿機模塊在結構和功能上的相互影響，對模塊間的關聯度進行0～1的打分，“0”分表示兩模塊在結構連接和功能上都毫無關系，“1”分表示在結構連接和功能上都是強相關，從而得到表1所示的家用豆漿機模塊之間的關聯度.

表1 家用豆漿機模塊之間的關聯度

關聯度定義說明：完全關聯：ki,j=1；強關聯：0.8≤ki,j<1；有關聯：0.2≤ki,j<0.8；弱關聯：0

根據式(1)和表1數據計算可得，家用豆漿機各模塊的關聯度為MC=0.36.通過式(2)得到的模塊獨立性為：MI=0.64.

3.2.2 家用豆漿機模塊的通用性評估

采用基于通用模塊數量的通用性評估方法.家用豆漿機各系統中總模塊、通用模塊、標準模塊和專用模塊的具體分布如表2所示.這里，可將標準模塊歸納在通用模塊中進行計算.

表2 家用豆漿機模塊類型分布

根據表2數據，利用式(3)可算得：MU1=88/144=61.1%.

4 結束語

本文建立了產品模塊化率評估指標體系參考模型，在綜合考慮評估指標相對獨立性、普遍適用性、綜合性的前提下，提出基于模塊獨立性、通用性、封裝性、產品種類的增加率、新增零件數減少率等5個指標的模塊化率評估方法，并在此基礎上，將5個指標壓縮為模塊獨立性和通用性兩個指標，對產品模塊化率進行綜合評估.

最后以家用豆漿機為例，對產品模塊化率評估指標及評估方法進行了可行性驗證.