基于成本優(yōu)化的全生命周期下堆肥箱設(shè)計開發(fā)研究

李月恩 王立陽

摘要：為了節(jié)約在進行產(chǎn)品設(shè)計時的成本浪費，現(xiàn)在根據(jù)實際的設(shè)計案例進行一個完整的產(chǎn)品全生命周期設(shè)計流程，讓我們的設(shè)計過程避免不必要的成本浪費。文章以產(chǎn)品全生命周期為主軸，成本優(yōu)化法穿插到每個設(shè)計流程，深挖每個階段的成本優(yōu)化點，采用對比研究法對堆肥箱設(shè)計的兩種過程進行驗證分析。通過對比研究法，得到一個產(chǎn)品全生命周期的成本優(yōu)化系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)，能夠減少產(chǎn)品設(shè)計的成本浪費，從而得到一個成本最優(yōu)、周期最短的設(shè)計方案。

關(guān)鍵詞：全生命周期 成本優(yōu)化 對比研究 優(yōu)化系統(tǒng) 成本浪費

中圖分類號：TB476 文獻標識碼：A文章編號：1003-0069（2023）11-0117-05

引言

盡管基于全生命周期新產(chǎn)品開發(fā)流程的成本優(yōu)化研究在各種產(chǎn)品開發(fā)領(lǐng)域已取得長足進展，但是作為綠色生態(tài)環(huán)保產(chǎn)品的開發(fā)研究卻具有挑戰(zhàn)性，因為綠色生態(tài)環(huán)保產(chǎn)品的全生命周期存在與傳統(tǒng)產(chǎn)品全生命周期不同的地方，主要體現(xiàn)在綠色生態(tài)環(huán)保產(chǎn)品的數(shù)據(jù)可遺傳性，基于此，使得綠色生態(tài)環(huán)保產(chǎn)品的開發(fā)更具有挑戰(zhàn)性。通過對于綠色生態(tài)環(huán)保產(chǎn)品的全生命周期的成本分析，獲取成本分析與產(chǎn)品設(shè)計與開發(fā)之間的邏輯關(guān)系，將此邏輯關(guān)系帶入產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)的流程之中，獲取新的設(shè)計思路和方案。采用這種方式，可以有效提高產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)的效率，可降低產(chǎn)品開發(fā)的奉獻，可以更快地相應(yīng)市場。案例分析認為，這種方法可行且具有科學性，值得向企業(yè)推廣。

一、成本優(yōu)化下的全生命周期概述及研究現(xiàn)狀

（一）國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

產(chǎn)品全生命周期是指企業(yè)在進行整個產(chǎn)品過程，從用戶的需求出發(fā)，到調(diào)研、規(guī)劃、設(shè)計、生產(chǎn)、銷售、運行、使用，直到售后回收再利用整個過程。成本優(yōu)化可以看成在不影響用戶需求的情況下，將整個產(chǎn)品生命周期的每個階段的成本壓縮到最低，從而達到預(yù)期的效果。

1.國外概念的研究起步：最早的概念起源于市場經(jīng)濟產(chǎn)品管理領(lǐng)域，是由Dean和Delevirt提出的，當時只是對整個產(chǎn)品引入、成長、成熟、衰退4個階段進行分析，到20世紀80年代生命周期的概念轉(zhuǎn)化為市場需求到回收報廢整個過程。最初的產(chǎn)品生命周期成本優(yōu)化的概念是在美國軍事裝備后期維修的調(diào)查中提出的。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，軍事裝備后期維護費用極高，自此以后，并開始使用生命周期成本評價，得到了節(jié)約成本的最佳方案[1]。

2.國內(nèi)概念的研究起步：我國于上個世紀 80 年代引入產(chǎn)品生命周期成本法。在國家標準 GB6992—86《可靠性與維修性管理》中，將產(chǎn)品的生命周期劃分為概念與定義、設(shè)計與研制、制造與安裝、使用與維護、處理等5個階段。在產(chǎn)品生命周期成本理論應(yīng)用研究綜述中，了解了產(chǎn)品生命周期成本理論的產(chǎn)生和發(fā)展歷程、在個各個行業(yè)應(yīng)用成效、總結(jié)了產(chǎn)品生命周期成本理論在以后的發(fā)展[2]。

（二）成本優(yōu)化的研究方向

1.階段性成本控制：眾多的成本優(yōu)化的途徑中，應(yīng)該從根源解決成本問題，在進行產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計時，應(yīng)該遵循可持續(xù)的原則[3]。在加工工藝、標準化、結(jié)構(gòu)化、時效性方面來控制成本[4]。設(shè)計的最終目標不僅僅是制造產(chǎn)品，是形成一套完備的設(shè)計流程[5]，企業(yè)在研發(fā)產(chǎn)品時，形成一套完備的設(shè)計流程模式，就會提高工作效率，降低成本。前期充分調(diào)研，中期把握產(chǎn)品成本質(zhì)量，后期做好售后服務(wù)[6]。

2.成本優(yōu)化下全生命周期的附加價值：進行產(chǎn)品設(shè)計時，滿足功能需求后，要注意產(chǎn)品的附加價值，附加價值主要包括企業(yè)品牌價值、企業(yè)管理模式、社會效應(yīng)。準確產(chǎn)品定位，避免盲目設(shè)計。要注意產(chǎn)品全生命周期是一個“動態(tài)”的視角，注意產(chǎn)品每個階段的迭代機會[7]。塑造良好的企業(yè)管理模式，在管理制度、資源配置上改革創(chuàng)新，成本優(yōu)化概念深入到每個部門并加以實施，企業(yè)才能準確把控目標利潤，讓企業(yè)立足于不敗之地[8]。常洪提出了指向性設(shè)計，設(shè)計要把握產(chǎn)品價值，明確產(chǎn)品價值方向[9]。馬譽銘提出了在可持續(xù)發(fā)展設(shè)計上，不僅要在回收利用上體現(xiàn)，還要在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和功能上體現(xiàn)[10]，應(yīng)召國家堅持可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，形成良好的社會效應(yīng)，樹立企業(yè)形象。

3.成本優(yōu)化的目標：李怡提出了在工業(yè)設(shè)計中的成本管理目標包括兩種，一種成本縮減，另一種是成本避免；設(shè)計成本的初級目標是成本縮減，高級目標是成本避免[11]。成本縮減是一種傳統(tǒng)的方法，階段減少成本輸出；成本避免是一種在設(shè)計階段直接優(yōu)化設(shè)計，降低成本。保持產(chǎn)品原有功能性，提升產(chǎn)品美觀性。例如冰箱的門把手設(shè)計，外露式把手和隱藏式把手都能滿足其功能性，但是隱藏式能使冰箱門簡潔美觀。

本文在成本優(yōu)化的全生命周期下的概念基礎(chǔ)上，從全生命周期的用戶需求出發(fā)，把成本優(yōu)化穿插到每個階段進行分析，建立一個成本最優(yōu)，生命周期最短的系統(tǒng)。通過對堆肥箱的實際設(shè)計案例出發(fā)，來驗證該系統(tǒng)的優(yōu)點。

二、全生命周期下產(chǎn)品設(shè)計的傳統(tǒng)模式和成本優(yōu)化下模式的關(guān)系構(gòu)建對比

關(guān)系構(gòu)建首先就是通過對流程的對比，通過對比研究法對傳統(tǒng)全生命周期和成本優(yōu)化的全生命周期進行一個架構(gòu)上的對比。為此，我們圍繞該方案提出三點內(nèi)容：傳統(tǒng)全生命周期下的系統(tǒng)架構(gòu)、成本優(yōu)化的全生命周期的架構(gòu)、對比分析其優(yōu)勢。

（一）理念一：傳統(tǒng)全生命周期下產(chǎn)品設(shè)計的流程架構(gòu)

傳統(tǒng)全生命周期下的產(chǎn)品設(shè)計大致流程就是一個產(chǎn)品從滿足用戶需求、規(guī)劃設(shè)計、生產(chǎn)使用、產(chǎn)品銷售、用戶使用、維修保養(yǎng)、直到產(chǎn)品回收再用最后處置的整個過程，有效地進行管理，產(chǎn)品綜合性能的最佳性。整個流程比較概念性，沒有深層次挖掘其隱藏的優(yōu)化點。如圖1所示。

（二）理念二：成本優(yōu)化下的全生命周期下產(chǎn)品設(shè)計的流程架構(gòu)

成本優(yōu)化下的全生命周期下產(chǎn)品設(shè)計是基于傳統(tǒng)全生命周期的流程進行的深挖階段的一種成本優(yōu)化方法，具體流程圖如圖2所示。

1.設(shè)計前期：在前期進行滿足用戶需求的同時，充分進行用戶調(diào)研，滿足其產(chǎn)品的功能性，優(yōu)化設(shè)計方案，減少成本浪費；在進行實際開發(fā)設(shè)計項目時，對材料和加工工藝進行一個充分調(diào)研，使想法和設(shè)計充分的配合。

2.設(shè)計中期：開發(fā)產(chǎn)品樣機前，對方案進行一個高頻評審的過程，高頻評審方式就是自項目確定時，進行一個規(guī)定時間、規(guī)定設(shè)計方向的深討論過程，討論過程中，進行一個數(shù)據(jù)存儲的方式，以word和PPT記錄過程存儲到文件中，后期第N版確定方案時可使用。

3.設(shè)計后期：確地方案開發(fā)后，需要考慮其運輸成本問題，減少成本，工廠對接銷售平臺；用戶購買產(chǎn)品使用產(chǎn)品及后期維護的同時會反饋到設(shè)計規(guī)劃階段并存儲到數(shù)據(jù)庫中，便于產(chǎn)品的更新?lián)Q代；舊產(chǎn)品淘汰時，材料、模塊化零部件可以直接和產(chǎn)品設(shè)計規(guī)劃階段對接。

（三）理念三：全生命周期下產(chǎn)品設(shè)計的傳統(tǒng)模式和成本優(yōu)化下模式的關(guān)系

傳統(tǒng)設(shè)計理念和成本優(yōu)化設(shè)計是以全生命周期的概念為基礎(chǔ)，傳統(tǒng)設(shè)計理念是基礎(chǔ)，成本優(yōu)化設(shè)計是優(yōu)化升級。如圖3所示，現(xiàn)在的設(shè)計理念要緊跟時代發(fā)展的步伐，符合現(xiàn)代的設(shè)計發(fā)展原則。

三、成本優(yōu)化的全生命周期下堆肥箱設(shè)計模型構(gòu)建

通過對實際案例的設(shè)計，為了驗證成本優(yōu)化的方式在產(chǎn)品設(shè)計過程的可行性，現(xiàn)對實際案例堆肥箱的設(shè)計來證明該方法可行，能夠在設(shè)計中減少成本的浪費，成本優(yōu)化在產(chǎn)品設(shè)計中發(fā)揮重要的作用，本文建立了一個全生命周期的各個階段的成本優(yōu)化的模型，如圖4所示。

（一）成本優(yōu)化的全生命周期下堆肥箱設(shè)計模型設(shè)置

本模型的設(shè)置是在傳統(tǒng)全生命周期的流程下進性一個三層分級制，第一層是流程層，從了解用戶需求開始直至產(chǎn)品回收利用；第二層是數(shù)據(jù)層，從了解堆肥箱的用戶需求點，到設(shè)計開發(fā)所需的設(shè)計優(yōu)化，堆肥箱生產(chǎn)售賣產(chǎn)生的費用，直至堆肥箱的回收再利用費用；第三層是管理層，整個層級是一個數(shù)據(jù)庫的方式，一是設(shè)計師端，設(shè)計師在進行設(shè)計時，把每階段的設(shè)計做到最優(yōu)化，在另一端是評審和售賣回收利用率的數(shù)據(jù)記錄。

（二）成本優(yōu)化的全生命周期下堆肥箱設(shè)計階段設(shè)置

1.用戶需求階段的設(shè)置意義：隨著中國城市基礎(chǔ)設(shè)施和居民小區(qū)的不斷建設(shè)，城市園林的綠化面積呈現(xiàn)不斷擴大的趨勢，園林廢棄物的處理成了急需應(yīng)對的問題。傳統(tǒng)的焚燒和掩埋已經(jīng)不符合綠色環(huán)保和可持續(xù)的要求了。從堆肥箱的設(shè)計意義上來講就是應(yīng)召國家生態(tài)文明建設(shè)政策，如果枯枝爛葉和一些生活有機垃圾處理不得當?shù)那闆r下，就會耗費大量的人力物力，給環(huán)保部門帶來一定的經(jīng)濟負擔，堆肥箱的設(shè)計開發(fā)使用也是對政府財政的一個成本優(yōu)化的體現(xiàn)。

不僅能夠減輕財政負擔，還能實現(xiàn)園林綠化垃圾的再利用，這樣不僅有利于可持續(xù)發(fā)展的目標，而且對于整個園林的綠化環(huán)境和生態(tài)文明建設(shè)，會具有深遠的意義。

2.調(diào)研分析階段的設(shè)置意義：我國的園林廢棄物產(chǎn)生量巨大，實際利用率卻極低。在馬來西亞普勞平昂，用當?shù)刂圃斓亩逊氏浞纸庥刹菪蓟旌衔锝M成的固體廢物，來達到生態(tài)循環(huán)。同國外相比，我國的堆肥技術(shù)起步發(fā)展晚，國內(nèi)的堆肥箱市場巨大且富有潛力，增長速度強勁。目前國外是通過堆肥的方式對園林垃圾進行科學的處理，這種處理方式已經(jīng)相當成熟，而我國在堆肥方面正處于起步階段。堆肥是利用技術(shù)手段將園林落葉轉(zhuǎn)化為有機肥，對城市生態(tài)環(huán)境具有重要意義。目前大多數(shù)國家的政策都在支持園林垃圾的處理朝著無害化，持續(xù)化，可循環(huán)的方向進行。現(xiàn)有市場上的堆肥箱大多數(shù)在材質(zhì)上是塑料材質(zhì)，占比約72%；一小部分是不銹鋼材質(zhì)占比20%，還有一小部分是木材、竹材，占比約5%；其他材料占比約3%。國內(nèi)同類產(chǎn)品的品牌廠家如表1所示。了解國內(nèi)外堆肥箱的現(xiàn)狀，并調(diào)研國內(nèi)的同類產(chǎn)品的生產(chǎn)廠家，讓堆肥箱的設(shè)計過程中取其精華，去其糟粕。在設(shè)計前期避免專利產(chǎn)權(quán)的糾紛。

3.設(shè)計生產(chǎn)階段的設(shè)置意義：通過高頻評審模式，階段性進行方案評審，從第一次方案一直到生產(chǎn)方案的確定。堆肥箱的設(shè)計開始日在2021年2月底進行，在3月初完成，整個時間周期為22天。分為5個階段性周期。

（1）第一階段周期，設(shè)計開始階段，進行甲方對接工作，設(shè)計出了初步案例，進一步了解甲方需求，方案一效果如圖5。

（2）第二階段周期，對設(shè)計進行改進設(shè)計，甲方提出要求為：原直筒式設(shè)計在不易加工且不美觀；原設(shè)計箱蓋不易開合且沒有密封措施；取肥時，產(chǎn)生取肥死角，取肥困難；堆肥產(chǎn)生的液態(tài)肥水與固態(tài)肥料混合，影響堆肥質(zhì)量；對堆肥箱內(nèi)肥料發(fā)酵狀態(tài)不清楚。改進設(shè)計方案二效果圖，如圖6。

（3）第三階段周期，滿足其功能性后，開始進行成本控制的方式進行介入，在材料上選擇上，外觀材料上，使用SUS304不銹鋼板，不銹鋼材料具有經(jīng)濟實用、外形美觀、重量輕、強度高、耐腐蝕、耐高溫、高溫抗氧化的性能。適合放置在公園這一露天室外場所，減少氣候和非主觀因素對其的影響；保溫層材料選擇聚氨酯保溫層，其具有熱塑性的線性結(jié)構(gòu)，它比PVC發(fā)泡材料有更好的穩(wěn)定性、耐化學性、回彈性和力學性能，具有更小的壓縮變型性。結(jié)構(gòu)上進行一個標準件設(shè)計，考慮在室外，零部件需要后期維護。如圖7為方案三效果圖。

（4）第四階段周期，前三次的設(shè)計方案進行總結(jié)性的大改進設(shè)計，整體采用立方體結(jié)構(gòu)，配合三角穩(wěn)定支架上下分離式結(jié)構(gòu)，采用螺栓結(jié)構(gòu)，方便拆卸，安裝；采用液壓桿系統(tǒng)掀蓋模式，加入廢料時，無需人力支撐；智能溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)；內(nèi)部具有30mm聚氨酯板保溫層具有一套完備的可調(diào)節(jié)的通風發(fā)酵系統(tǒng)出料口，采用左側(cè)開的方式；不影響取料出料門采用小的可視窗設(shè)計，能夠明確內(nèi)部的發(fā)酵情況。在現(xiàn)階段，主要考慮堆肥箱的模塊化設(shè)計和標準化設(shè)計，獨立開發(fā)一套通風系統(tǒng)，可以節(jié)約很多專利費用。該設(shè)計方案采用分體式設(shè)計，上下可實現(xiàn)分體式，下方出料口容易腐蝕，可以考慮模塊化替換維修。分散式堆肥已被提議為最佳可得做法，對城市固體廢物管理計劃高度積極的影響。[12]方案四的設(shè)計制造報價單如表2，效果圖如圖8。

（5）第五階段周期，對第四次方案的升級優(yōu)化，簡化了外框設(shè)計，采用直接擺放的方式進行，優(yōu)化了通風系統(tǒng)的設(shè)計，改為旋鈕調(diào)節(jié)方式，能更好地把握堆肥的發(fā)酵情況；成本優(yōu)化方面主要進行了內(nèi)嵌式通風系統(tǒng)方式，優(yōu)化設(shè)計，由第四版的外連接方式，改為內(nèi)連接方式，改變了結(jié)構(gòu)，直接可以把通風系統(tǒng)安裝在箱體內(nèi)壁；外部廣告牌設(shè)計，可以賺取一定的廣告費。方案五的設(shè)計報價單如表3，相比方案四優(yōu)化了設(shè)計，節(jié)約了成本。效果圖如圖9。

四、堆肥箱設(shè)計方案選定及其實踐意義

歷經(jīng)22天的設(shè)計周期，通過高頻評審模式的方式，進行五次設(shè)計方案的設(shè)計與討論，滿足用戶需求的同時，確保成本的最小化。最終敲定使用方案五的設(shè)計。

（一）堆肥箱方案各項功能及其材料選擇

1.堆肥箱外觀設(shè)計及其材料選擇：整個外觀采用不銹鋼箱體，塑料蓋子的設(shè)計，考慮到甲方是小批量生產(chǎn)使用，選取鈑金不銹鋼的方式進行制造，如試驗成功，可能后續(xù)替換成塑料箱體，進一步的箱體模具的開發(fā)，模具生產(chǎn)制造是產(chǎn)品大批生產(chǎn)制造的最優(yōu)選擇，也是后期成本最低的一種模式。

2.堆肥箱內(nèi)部設(shè)計及其材料選擇：內(nèi)部主要是通風系統(tǒng)和瀝水盤的設(shè)計制造，通風系統(tǒng)上，采用不銹鋼管的焊接模式，考慮到室外堆肥，有很多枯枝爛葉，在保證防腐蝕的功能下，還能起到一定的承重功能；瀝水盤的設(shè)計需要進行一個pp塑料板的材料，箱體上部分進行堆肥發(fā)酵，箱體下部分進行一個儲存，瀝干肥水的作用，一定要耐腐蝕，所以選擇pp塑料。

3.堆肥箱模塊化零部件選擇：主要零部件有溫濕度監(jiān)測儀和箱體取料口門部分，箱體上具有預(yù)留孔設(shè)計，能夠?qū)笃诘木S護做到很好的保障，箱體取料口門部分是一個可拆卸部分，都是具有標準件的門鎖和門把手，方便后期維護。

4.堆肥箱使用流程：堆肥第一步把園林廢棄廢物收集放入堆肥箱內(nèi)；第二步放入一定的生物發(fā)酵菌，攪拌均勻；等待發(fā)酵，可通過取料口的透明玻璃門觀察箱體內(nèi)的發(fā)酵程度，發(fā)酵完成，打開取料口，收集肥料。

（二）實踐意義

根據(jù)成本優(yōu)化下全生命周期的整個設(shè)計流程探索與實踐，總結(jié)出本模型具有四點實踐意義：

1.節(jié)約制造成本：得益于堆肥箱的優(yōu)化設(shè)計，堆肥箱的功能能夠很完備地表達出來，而且還能把外觀效果變得簡化美觀。節(jié)約制造材料，選擇合適的制作材料。成本優(yōu)化下對比傳統(tǒng)流程的成本優(yōu)化率折線圖，如圖10。

2.縮短設(shè)計周期：對于高頻評審的設(shè)置，能夠及時完成設(shè)計工作，縮短設(shè)計周期，階段性的提高工作效率。通過觀察對比周期時間圖，如圖11，可以觀察出，成本優(yōu)化下的設(shè)計周期明顯小于傳統(tǒng)意義上的設(shè)計周期。按照傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計流程，前期和成本優(yōu)化下的流程時間沒有多大差別，在后期的時間上，可以明顯地看出在設(shè)計階段成本優(yōu)化的優(yōu)勢顯現(xiàn)出來，可以直接按部就班地進行下一步工作，前期工作做得扎實，后期的工作就會很好做，節(jié)約很多不必要的時間。

3.提高產(chǎn)品質(zhì)量：在設(shè)計初期就開始充分考慮成本的最優(yōu)性，能把節(jié)約的成本增加到產(chǎn)品核心部分，提高產(chǎn)品的質(zhì)量；在設(shè)計制造階段，也能提高產(chǎn)品成品率；在產(chǎn)品使用階段，既能提高產(chǎn)品性價比，還能讓用戶體驗得到最佳；在后期維護回收利用上，也能減少產(chǎn)品的維護成本，還能提高回收利用率。在質(zhì)量總成本曲線圖中，如圖12，產(chǎn)品生產(chǎn)到達A點時，是產(chǎn)品質(zhì)量和成本的最優(yōu)點，一旦達到B點，產(chǎn)品質(zhì)量雖然得到有效的提升，但是成本就會消耗很大。所以要把成本最優(yōu)時，把產(chǎn)品質(zhì)量達到最大化。

4.數(shù)據(jù)存儲：數(shù)據(jù)存儲的價值在于能在目前大數(shù)據(jù)的環(huán)境下，來驅(qū)動新產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計優(yōu)化，在第二代產(chǎn)品設(shè)計前期，可以通過在第一代收集的數(shù)據(jù)中得到關(guān)鍵點，精準定位；在收尾階段，可以存儲數(shù)據(jù)，進行一個量化數(shù)據(jù)，有助于產(chǎn)品的迭代。減少成本輸出；銷售使用回收階段進行數(shù)據(jù)存儲，能夠通過大量的銷售數(shù)據(jù)、用戶體驗數(shù)據(jù)、零部件更換的數(shù)據(jù)來分析下一代新產(chǎn)品需要摒棄的弊端。

總結(jié)與展望

本研究所建立的成本優(yōu)化下全生命周期的產(chǎn)品設(shè)計模型，可以運用到大量的產(chǎn)品設(shè)計中，能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計進行時，各項工作能夠得到合理的安排，提高工作人員的工作效率，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，節(jié)約產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)成本，新產(chǎn)品能夠快速推出到市場，產(chǎn)品用戶體驗反映也能快速得到回饋，為下一代新產(chǎn)品蓄力。在實際設(shè)計案例中，本模型表現(xiàn)出的能力比較明顯，同時還需要進一步深挖改進，實現(xiàn)新產(chǎn)品開發(fā)研究時，能夠發(fā)展成智能化產(chǎn)品設(shè)計，用大數(shù)據(jù)來驅(qū)動配合新產(chǎn)品的開發(fā)。

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