基于數據質量的大規模定制仿真實驗室質量管理系統設計

陳思雨， 樊樹海， 張文倩， 熊佳瑋

(南京工業大學 工業工程系， 南京 210009)

0 引 言

隨著市場競爭的日益加劇，客戶對于多品種小批量產品的追求迫使生產企業改變傳統生產模式，大規模定制生產模式應運而生。大規模定制生產的提出是為了滿足當前市場對產品多樣化的需求，其主要目的是以大規模生產的時間和成本，去實現對客戶個性化的定制要求[1]。

著名質量管理大師朱蘭曾有一句至理名言： 質量是一種實用性，即產品在使用期間能滿足使用者的要求。在新工業革命浪潮的席卷下，我國正在努力向一個質量強國發展，產品，服務的質量好壞關系到國家整體經濟的進步，因此，質量管理在企業中意義重大。

在大規模定制系統中，企業不僅需要與客戶建立快速有效的溝通渠道，準確的獲取客戶的需求，及時的根據需求對產品進行設計，并調整富有柔性的生產流程，以接近大規模生產的成本制造產品，還需要高度配合的供應鏈體系和強大的信息技術的支持。所以，在這種情況下，大規模定制的質量管理往往從與顧客進行溝通的那一刻起就開始進行，傳統生產下的質量管理系統顯然無法滿足要求，適用于大規模定制模式的質量管理系統急需建立。

而為了使學生更好地了解大規模定制生產方式，更多的學校建立了大規模定制生產模式仿真實驗室，但考慮到大規模定制生產方式的特殊性以及對于該種生產方式的充分還原，實驗室的質量管理系統的建立也是一個亟待解決的困難。大規模定制生產仿真實驗室的根本目的即為完美的模擬整個大規模定制生產過程，因此，整個實驗室的設計標準應以大規模定制生產為主要參照。

當前許多研究將重點放在了大規模定制下不同方面的質量控制，如在質量管理中用到的工具或方法，大規模定制下多元質量管理技術等。本文將結合大規模定制對于質量管理的特殊要求，利用公理化設計方法，從整體的角度建立一個適用于大規模定制的質量管理系統。

1 大規模定制生產下的質量管理

ISO9000對于質量管理有著標準定義：質量管理是指全部管理職能的一個方面。該管理職能負責質量方針的制定與實施。

在傳統生產模式中，質量管理側重于對某些產品技術指標符合度的控制，管理重點往往是生產現場質量管理[2-4]，監控手段通常是檢驗系統，控制圖等，該類質量管理局限在一個較窄的范圍內進行，在傳統生產中尚且可以勉強完成質量控制，卻無法在大規模定制生產模式中發揮質量控制作用。

大規模定制生產的進行是基于產品的可分解性以及各模塊間的易連接性的[5-7]，而大規模定制生產為了滿足客戶對于設計，制造，運輸的個性要求，這樣的產品通常是以單件的形式出現，一旦出現質量誤差，該產品必然成為不能抵消的庫存，生產損失將無法挽回。因此質量管理的要求要比傳統生產條件下嚴格的多。

面向大規模定制的質量管理體系主要有以下幾個特征：

(1) 以顧客最大滿意度為追求。企業的產品能否被顧客承認，接受，取決于顧客對于產品質量以及服務的滿意程度，而大規模定制企業是以顧客為導向的企業[8]，所以，面向大規模定制的質量管理體系必然將以顧客的滿意度為最大的追求。

(2) 以設計質量為中心。大規模定制模式以客戶的要求為中心，所以質量管理的源頭便是對客戶需求的獲取，在產品設計上就開始保證質量可以幫助降低整個生產過程中質量問題可能帶來的損失，為客戶創造最大的價值。

(3) 注重過程方法。大規模定制追求的是過程效率而并非生產效率，故大規模定制企業應建立完善的質量管理系統，形成系統化的質量管理體系，通過持續改進提高每個過程的質量水平。

(4) 重視信息質量的管理。大規模定制企業主要以敏捷生產為主要生產模式，且面向顧客的個性化需求，其生產體系需要經常切換來滿足不同的生產需要，因而，大規模定制模式可以稱為一個少數據，貧信息的生產過程，在生產初期，缺乏歷史數據，質量控制體系如何快速準確獲取相似數據或是線上模擬數據以及對客戶信息的準確獲取和各階段間數據的傳遞是整個質量管理系統中的一個關鍵。

2 公理設計方法

公理化設計是由美國麻省理工學院Nam Pyo Suh教授以及他的同事在20世紀90年代正式提出的[9]，公理化設計框架中主要包含：域的概念、“Z”字形映射的概念、層次結構的概念以及設計公理的概念，域的概念之間的映射關系如圖1所示。

圖1 公理化設計域的概念

用戶域是根據用戶對產品的需求來描述的，即用戶需求的產品屬性(Customer Attributes, CAs)；功能域是根據用戶需求而確定的產品功能要求(Functional Requirements, FRs)；結構域是為滿足功能要求而決定的設計參數(Design Parameters, DPs)；工藝域是根據結構域的設計參數而制定的工藝過程變量(Process Variables, PVs)[10-12]。

在相鄰的兩個域中，左邊的域相對右邊的域表示“要達到什么目標”，而右邊的域相對左邊的域則表示“建議采用什么策略去滿足左邊的域規定的要求”，左邊的域和右邊的域之間需要通過映射矩陣建立關系才能夠詳細的了解右邊的域能否真正滿足左邊的域規定的要求，從功能域到結構域，再到工藝域之間的映射、分解過程構成了公理化設計的整個過程。在公理化設計的映射過程中，必須采用兩條基本的設計公理來評價系統設計方案的優劣，才能夠做出正確的系統設計決策，這兩條基本公理分別是：

第1公理獨立公理[13]，必須保持系統功能需求的獨立性，獨立公理要求每個功能需求都應對應一個設計參數，并且不受其他設計參數的影響，如果兩個或兩個以上的功能需求相關，那么應該采用一個相當的功能需求進行替代。

第2公理信息公理[14]，力求使設計的信息含量最小，在符合功能獨立性要求的前提下，信息量最小的設計才是最好的設計。

3 大規模定制質量管理系統的公理化設計分解

3.1 第1級分解

此次公理化設計的最高目標即為：FR0=提高大規模定制下質量管理的效率，要實現這個目標，必須采取的相應策略是：DP0=建立大規模定制質量管理體系。大規模定制的過程和方法主要有以下幾種：

(1) 供應鏈環節。對于供應鏈的質量管理，應該出現在供應鏈上的各個環節，包括對于合作伙伴的質量管理。同時，面向供應鏈的質量管理體系應在合作伙伴之間達成質量保證體系，質量監督改進措施，過程能力等方面的協調性一致。

(2) 敏捷制造過程。在大規模定制生產中，企業面對的是顧客千變萬化的需求，企業必須以最快的速度調整生產流程對客戶的需求做出反應，這就要求大規模定制生產過程采用敏捷制造的概念。

(3) 客戶驅動的設計和制造，則是大規模定制的核心。大規模定制企業要在市場的總體趨勢下盡力滿足顧客的個性化需求，根據客戶的不同要求更改設計生產過程的定制水平，而質量管理的強度和方法也隨著定制水平的差別而不同。

因此，FR0能夠分解成：

FR1=提高客戶驅動設計階段質量管理效率；

FR2=提高大規模定制生產質量管理效率；

FR3=提高供應鏈過程質量管理效率。

實現上面3個目標采取的相應策略是：

DP1=改進設計階段質量管理工具；

DP2=建立敏捷制造過程質量管理體系；

DP3=制定供應鏈質量管理系統。

由于FR1、FR2、FR3均可以分別由DP1、DP2、DP3獨立完成，因此，此設計屬于非耦合設計，設計矩陣為對角矩陣，其設計方程是：

3.2 第2級分解

(1) 面向客戶滿意的設計是大規模定制的核心環節之一，而客戶驅動設計的質量管理的關鍵則是建立面向質量的設計模塊。面向質量的設計要求把一系列的質量保證方式與設計系統完美結合，在產品和過程的設計階段就開始實施質量管理。而實現從源頭開始的質量管理目標就要建立相應的產品與過程模型的信息，交換模型。

FR1能夠分解成:

FR11=完善大規模定制設計系統；

FR12=完善設計評價模塊。

實現上面2個目標采用的相關策略是：

DP11=建立面向客戶滿意度的設計管理系統；

DP12=建立設計評價管理系統。

可得設計方程如下：

(2) 大規模定制中的主要生產模式即敏捷制造，敏捷制造要求企業能夠根據客戶變化的需求及時改變生產能力，即通過重新規劃生產過程，重組生產資源來滿足客戶的定制化需求。面向敏捷制造的質量管理系統要求企業生產環境發生變化時，能迅速對制造階段的質量控制體系進行調整，快速準確地收集質量控制信息，構建新的質量控制系統。另一方面，大規模定制企業采用敏捷制造，其目的是增加速度而不提高成本，但制造階段現有的基于控制圖的質量管理的正常施行是以充足的數據為支撐的，由于敏捷制造需要不斷更換生產條件，在生產初期將缺少足夠的歷史數據或相似產品數據，從而造成了大規模定制生產下質量管理的瓶頸，即少數據，貧信息，碎經驗，用于質量分析的信息質量缺乏保證，傳統的質量管理將無法正常的開展。因此，在敏捷制造過程中的質量管理應充分利用在線質量控制技術，以及各階段間的數據即時交互技術，但同時要控制新型質量管理技術的成本。

FR2能夠分解成：

FR21=提高生產過程中質量管理的反應速度；

FR22=提高生產管理系統的信息質量；

FR23=提高生產控制管理水平。

實現上面3個目標采用的相關策略是：

DP21=建立質量管理快速切換機制；

DP22=完善質量數據獲取模塊；

DP23=建立質量技術和工具的縱向集成。

可得設計方程如下：

(3) 供應鏈質量管理系統目的是提高整個供應鏈環節的質量，包括對每個環節的質量控制，以及對于與大規模定制企業合作的銷售，供應商等合作伙伴的質量管理。

FR3能夠分解成：

FR31=提高供應鏈中各環節質量管理水平；

FR32=提高企業間的質量管理合作水平。

實現上面2個目標采用的相關策略是：

DP31=為供應鏈中各環節建立質量管理模塊；

DP32=在企業間建立一致的質量管理體系。

可得設計方程如下：

3.3 第3級分解

(1) 對于大規模定制下產品設計的質量管理，要充分考慮產品設計過程的階段性和漸進性。在產品設計初期，質量管理的主要手段包括產品設計質量規劃，以及對于輸入輸出的設計信息質量控制；在設計中期，產品質量跟蹤以及產品質量缺陷分析預測技術則成為主要的質量管理手段。大規模定制設計系統中的重要環節便是快速響應客戶的需求。而產品的設計開發階段則是快速響應客戶訂單的關鍵。在整個管理系統中，客戶需求信息的獲取，管理與分析技術最為關鍵，在傳統產品設計過程中，信息及各領域產品開發人員與客戶的交流嚴重不足，大大制約了產品設計的效率，在大規模定制設計開發系統中，必將更加重視客戶需求的實現，因此，客戶需求信息質量的控制是整個大規模定制設計質量管理系統中的重要環節。

FR11能夠分解成：

FR111=提高以設計質量為中心的大規模定制設計水平；

FR112=提高企業獲取客戶定制信息的效率。

實現上面2個目標采用的相關策略是：

DP111=采用以設計質量為中心的設計方式；

DP112=建立以信息質量為中心的設計體系。

可得設計方程如下：

(2) 大規模定制設計系統的質量管理中，設計評價模塊是不可或缺的部分。目前主流的大規模定制企業質量管理思想便是提高設計質量從根源上保證產品質量，因此在產品設計方案投入生產之前，設計評價模塊應起到對產品質量問題的預判與預防作用。在設計評價體系中，主要評價點包括產品設計方案的可靠性以及對于設計方案配置的初步篩選組合。

失效模式及后果分析是一種從設計上防患于未然的方法，在設計過程中對產品可能存在的失效模式及其對用戶可能造成的影響進行分析，及時對設計進行改進，增強設計可靠性，從源頭杜絕質量問題。

大規模定制產品設計的初衷是滿足客戶的需求，屬于反應式的設計，在設計評價階段需要從多種滿足客戶需求的產品配置方案中初步篩選高質量，低成本的最佳方案。田口方法以提高產品的質量特性為目的，以統計的方式定量的分析多種參數組合與質量特性的關系，從而得到最佳參數組合，在保證質量的前提下防止“質量過剩”。綜上，FR12能夠分解成：

FR121=完善在產品設計階段質量可靠性的判別；

FR122=完善設計方案的質量篩選體系。

實現上面2個目標采用的相關策略是：

DP121=采用失效模式及后果分析(FEMA)；

DP122=采用田口設計方法。

可得設計方程如下：

3.4 第4級分解

(1) 大規模定制下設計方法大多在現有的設計方法上發展而來，但較傳統生產方式，更重視設計質量，具體包括面向產品簇的設計，模塊化設計方法的應用，零件的標準化與模塊化，以及后延設計方式。

FR111能夠分解成：

FR1111=采用面向產品簇的設計方式；

FR1112=加強模塊化設計的應用；

FR1113=建立零件標準化與規范化；

FR1114=采用后延設計。

實現上面4個目標采用的相關策略是：

DP1111=做好產品生產周期規劃；

DP1112=做好質量管理成本控制；

DP1113=提高定制設計的效率和質量；

DP1114=提高訂單處理效率。

可得設計方程如下：

(2)FR112能夠分解成：

FR1121=改進大規模定制質量管理工具；

FR1122=提高質量管理工具間的信息傳遞效率；

FR1123=提高質量管理信息的搜集效率。

實現上面4個目標采用的相關策略是：

DP1121=開發與客戶定制信息相連的QFD工具；

DP1122=運用信息技術，完善質量管理工具間的數據交互體系；

DP1123=加強在線質量模擬技術的應用。

可得設計方程如下：

在上述過程中的設計矩陣都是上三角矩陣或者對角矩陣，設計都屬于準耦合設計或者非耦合設計，滿足獨立公理，因而是合理的設計。表1所示為公理化設計的總功能結構表。

表1 功能結構表(FR0=提高大規模定制下質量管理的效率)

4 結 語

大規模定制是現行的較為主流的生產模式，也將會是未來的發展重點，而質量因素也將在整個制造業扮演重要的角色，不同于傳統生產模式，大規模定制的質量管理系統需要具有以滿足顧客需求為最大追求，以設計質量為中心，注重過程控制等特點，因此，在建立大規模定制仿真實驗室的質量管理體系時，應區別于傳統方式。本文在前人研究基礎上，利用公理化設計方法，完成了面向大規模定制仿真實驗室的質量管理體系的構建與部分具體分解，為該類型實驗室的質量管理系統的完善提供一種思路。