面向云制造的裝備模塊化開發管理模式研究*

王海軍， 施慧斌

(沈陽工業大學 管理學院， 沈陽 110870)

面向云制造的裝備模塊化開發管理模式研究*

王海軍， 施慧斌

(沈陽工業大學 管理學院， 沈陽 110870)

近年來，裝備制造業取得了快速發展，但也面臨著全球資源短缺和價格上升等諸多因素的沖擊。在云制造時代，裝備制造產業的轉型升級面臨著前所未有的戰略機遇。基于行業發展形勢和需求，面向裝備產品提出模塊化開發和管理方法，包括模塊的定義、模塊化產品結構管理、承接模塊化開發的供應鏈管理模式和模塊化線體布局方案，主要目的是為解決云制造中針對裝備產品的客戶需求分析、產品規劃、海量裝備產品數據信息管理和采購及生產實現等一系列問題提供思路。研究旨在為云制造形勢下促進裝備制造企業優化產品的開發和管理，提升其產品和服務在全球市場中的競爭力提供思路。

云制造； 裝備制造業； 產業升級； 模塊化； 模塊實體； 產品結構管理； 供應鏈管理； 客戶需求分析； 產品規劃

云制造是一種面向未來的制造模式，通過網絡將社會化的制造資源進行優化配置并提供高附加值、低成本和全球化服務，主要面向廣大中小企業，云制造將是我國“十二五”的制造業信息化的主要方向之一[1-2]。近年來，遼寧省交通運輸、機床等裝備制造行業取得了快速發展，在“云制造”時代，遼寧應該抓住機會，在大型和成套高端裝備制造企業試點并逐步推廣先進制造技術和先進管理模式，大力促進裝備制造業產業集群升級，在為企業提供增值服務的同時，積極促進企業間的資源共享，支持裝備制造企業的異地協同設計與制造。因此，深化和加強裝備制造行業的理論和實證研究，必將有助于提高遼寧裝備產業國際競爭力。

裝備產品大都面向工業應用，結構復雜并跨機電和信息等多學科。隨著市場需求越發呈現個性化，導致裝備產品針對市場區分的設計日漸精細化，裝備產品陣容的增加將會導致企業總成本的上升。而當企業規模擴大時，裝備產品的復雜度出現雪球效應。沉重的營運費用和財務負擔嚴重侵蝕研發資源，導致產品技術發展艱難。

面向云制造的裝備組成基本單元——零部件是由分散在各地的供應商企業提供的，如果不對這些零部件數據進行有效管理，必然會引發產品數量爆炸[3]。例如，同一類零件的制造企業可能有成千上萬家，每家企業都在網上推出自己設計和制造的一些零件，這些零件的不同變型就有可能有幾萬個。在云制造時代，由于涉及大量的產品數據信息和服務，制造企業需要利用先進的產品管理技術支持海量制造資源的優化配置，進而實現裝備產品的系列化和標準化，傳統的裝備設計和管理方法難以滿足這要求。而模塊化作為一個支撐裝備創新設計、生產和管理的模式，可以有效優化零部件數量，有利于降低裝備生產成本、縮短產品上市時間等，對實現制造資源的優化配置和優質服務具有重要意義。

一、模塊與模塊化

所謂模塊，就是可組合成系統的、具有某種特定功能和標準化接口結構的、典型的通用獨立單元，其具備四個特征，即可組合成系統、具有確定功能、具有確定接口、通用獨立單元。模塊僅為一個抽象的概念，具有標準化的接口；模塊實體則是根據模塊概念設計制造的實際物體，所有的模塊實體都有相同的接口[4]15-17。而模塊化是為了取得最佳效益，從系統觀點出發研究產品的構成形式，用分解和組合的方法建立模塊體系，并運用模塊組合成產品的全過程[5-6]。模塊化可以實現標準化和多樣化的有機統一，是促進“云制造”時代下裝備生產方式轉變的有效手段，也正因如此，模塊化才會受到裝備制造行業如此廣泛的關注和重視。

模塊化簡單地說就是定義模塊、組成產品的過程，或者可以采用兩個過程來涵蓋，一是如何定義模塊，二是如何管理這些模塊，并用這些模塊快速組合成產品。近年來國內外很多學者在這方面作了大量的研究，但大多側重于學術討論，針對模塊化的處理基本上偏重于模塊的劃分研究[7-9]，涉及到模塊化產品開發、采購、生產集成過程管理的研究較少，實用性不強[10-12]。

二、裝備模塊化開發和管理的關鍵流程

1. 量化客戶需求，定義功能模塊

本文提出采用模塊化功能配置方法來定義模塊，其目標是在考慮企業特定需求的同時，找到最優的模塊化產品設計方案。模塊化功能配置的五個主要步驟如圖1所示。

圖1 模塊化功能配置的五個主要步驟

(1) 客戶需求分析。處于激烈市場競爭中的裝備制造企業均越來越關注客戶的需求，裝備的概念設計也是來自于廣泛的客戶需求。一般來說，可以利用以下幾個步驟來分析客戶需求信息，并完成從市場需求細分到產品特性的轉化:①利用Kano模型來評定客戶需求的優先級。②利用頭腦風暴的方法定義產品特性(即產品的關鍵性能指標)。③利用QFD(質量功能配置)方法分析客戶需求和產品特性的對應關系[13]。具體過程如圖2所示。

注:關鍵市場是短期內貢獻產品銷量的重要市場；潛在市場是未來能提升市場競爭力和銷量的市場。

(2) 選擇技術解決方案。為了遴選出最優的技術解決方案，需要結合產品的功能分解，并綜合評價實現對應功能的技術候選方案，主要步驟為:①利用功能方法樹對產品功能進行逐層分解，同時考慮物理接口關系。②確定實現每個功能的技術解決方案，并對不同的技術解決方案進行綜合評價，評價角度包括技術先進性、經濟性、可生產性以及可采購性等，以選擇出性能價格比最優的技術解決方案。

(3) 產生模塊概念。為了合理地劃分出功能模塊，需要由研發部門牽頭，會同制造、采購、市場、維修等全流程部門協同參與模塊的劃分討論，各流程部門需要提出相應的模塊化設計需求，這樣才能真正地把模塊劃分成果固化到采購端、生產端，才能真正地把市場需求帶進產品的研發設計過程中。全流程參與模塊劃分所需要考慮的關鍵因素如圖3所示。

圖3 全流程參與模塊劃分對應的關鍵考慮因素

(4) 評估模塊概念。通過來自研發、生產、采購等部門的代表對以上劃分出的模塊概念進行評估，包括模塊與模塊的接口、模塊的財務與工程可行性等，最終確定模塊的劃分方案。

(5) 優化各個模塊。在完成模塊定義工作后，需要對模塊進行有效的管理，綜合考慮技術的發展、客戶需求的變化、質量、成本等要素對模塊進行持續優化，以保證模塊的競爭力。

2. 創建通用產品結構(GPS)，統一產品數據管理

一般來說，每個功能模塊會包含一個或若干個模塊實體，不同的模塊實體組成模塊庫，并在產品全生命周期(PLM)平臺中進行管理，以便設計人員維護和查詢。借助于PLM平臺可以實現基于模塊的產品配置管理，能夠有效地支持面向定單的產品設計或裝配模式。

GPS(Generic Product Structure，通用產品架構)是管理模塊和產品家族的有效工具。GPS提供了管理整個產品族的單一、通用的產品結構定義的能力，基于GPS可以配置出特定的產品型號實例，如圖4所示。

圖4 基于GPS的模塊化產品配置示意

傳統的產品開發模式先是開發一款產品，當需要改型時，設計人員會在該產品的BOM上進行修改，產生一款改型后的產品，因此無法做到并行產品開發，針對產品家族的差異化和標準化設計處理就越來越不合理了。

基于GPS的產品開發模式則能夠有效地解決以上問題，通用的產品結構可以作為一系列覆蓋用戶需求的產品平臺架構，基于該平臺可以配置出具體的產品型號。基于GPS的產品開發需要結合中長期規劃考慮未來系列化產品的共性需求和個性需求，以便在節約資源的前提下提供差異化的產品組合樣式。在GPS架構定型后，當市場有某個具體需求時，可以根據具體條件產生一個產品變型來滿足其需求。因此，運用GPS可以在滿足市場的個性化需求和標準化之間尋找到平衡點。

3. 承接裝備開發需求，完善供應鏈管理

采購到綜合性價比高的模塊是支持以上裝備產品結構落地的重要條件，其中成本因素是制約企業選擇模塊實體方案的瓶頸。因此，需要綜合考慮模塊供應商的能力和實際的模塊實體性能需求，吸引多個優秀供應商參與模塊的競標，促使他們進行性能與價格競爭，進而尋源出最優的供應商，創造各模塊實體的最低目標成本，具體如圖5所示。

圖5 尋源最優模塊供應商以優化模塊實體的成本示意圖

脫離產業鏈的模塊化必然造成裝備模塊成本的上升，在云制造時代，海量的產品數據必然導致企業接觸數量眾多的供應商。因此，通過模塊化企業可以逐漸把非核心業務外包出去，還能夠整合一級供應商，并幫助他們提高管理二級、三級供應商的水平，如圖6所示。

圖6 模塊化采購驅動供應商管理模式轉型

4. 優化模塊化線體布局，提升裝備生產效能

為有效承接并落實裝備模塊化開發和采購成果，裝備的模塊化生產區要有有序的管理方針、KPI績效約束等，整個工廠效能可通過模塊生產區來提高。模塊生產區間的庫存、排程、運輸、配送方式與工裝必須一致，模塊接口必須固定且要有一致的規格，以便模塊生產區獨立管理。本文所提出的模塊化線體布局優化策略見圖7，1為穩定的主線，體現在線長、節拍時間和工位設置上，各模塊生產區與主線協調，還可以根據實際需求切換自制模塊與外包，實現更具彈性的生產策略。

三、結 論

(1) 通過裝備模塊化開發和管理，裝備制造企業在云制造時代實現全球統籌成為可能，有助于打造公司全球化的整合協同能力，在經模塊化系統規范后，全球市場企劃、開發、采購與供應鏈能達到綜合最佳化。

(2) 通過模塊化功能配置和通用產品結構管理，可以把客戶的需求信息轉化到裝備產品的特性設計中，有利于在云制造形勢下處理廣泛的市場需求信息和海量的產品數據，為最終提供給客戶個性化、低成本和全球化制造的產品與服務奠定基礎。

圖7 模塊化線體布局優化方案示意圖

(3) 推動基于模塊化運作的供應鏈管理模式轉型，有利于對數量眾多的供應商加強管理，并承接裝備產品開發的需求采購到綜合性價比高的模塊，真正實現面向云制造的模塊化產品開發落地。

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Studyondevelopingandmanagingmodesofequipmentmodularitytowardscloudmanufacturing

WANG Hai-jun, SHI Hui-bin

(School of Management, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

The equipment manufacturing industry has acquired rapid progress in recent years, but it encounters the challenge of multiple factors, such as the global resource shortage and the prices hike, etc. The transformation and upgrade of equipment manufacturing industry meet the unprecedented strategic opportunities in cloud manufacturing era. Based on the development status and requirements, developing and managing methods of modularity are proposed towards equipment products, namely, the definition of module, the modularity of product structure management, the supply chain management mode undertaking modularity development, and the linear and integral layout plan of modularity. The main purposes are to provide the train of thoughts to solve a series of problems during cloud manufacturing, such as the customer requirement analysis according to equipment products, the planning of products, the management of data and information, purchasing, and manufacturing realization of massive equipment products, etc. The study is aimed at providing train of thoughts for equipment manufacturing enterprises to promote the optimization of development and management of products under cloud manufacturing trend, and improve the competiveness of their products and services in global market.

cloud manufacturing; equipment manufacturing industry; industrial upgrade; modularity; module entity; product structure management; supply chain management; customer requirement analysis; product planning

2014-07-01

王海軍(1977-)，男，安徽滁州人，高級工程師，博士，主要從事企業戰略和創新管理等方面的研究。

* 本文已于2014-09-23 14∶04在中國知網優先數字出版。 網絡出版地址: http://www.cnki.net/kcms/detail/21.1558.C.20140924.0921.004.html

10.7688/j.issn.1674-0823.2014.06.08

F 062.5

A

1674-0823(2014)06-0523-06

(責任編輯:張 璐)