面向产品族演进的模块通用性研究*

王浩伦，甘卫华

(华东交通大学 机电工程学院，南昌　330013)



面向产品族演进的模块通用性研究*

王浩伦，甘卫华

(华东交通大学 机电工程学院，南昌330013)

摘要：模块通用性程度的度量对模块化产品族设计或再设计以及演进过程具有重要的意义。分别从基于零部件的通用性指标和面向参数化产品族的通用性指标两个方面进行研究现状的分析，进一步指出了模块通用性与产品族演进关系。在此基础上，提出了基于模块化产品族结构模型的模块通用性指标，即由模块化产品族的模块功能、结构和特征参数三层要素合成，可以分别实现单个模块通用性和模块化产品族整体通用性的衡量，最后以轮式装载机产品族为例说明该方法的有效性。

关键词：模块；产品族；通用性；指标；演进

0引言

实现以大批量生产的高效率、高质量、低成本和短交货期向客户提供多样化和个性化的定制产品，越来越多企业实施基于平台的产品族开发策略[1]。从本质上看，产品族/产品平台规划或再设计是一个多目标权衡和优化问题，其核心为通用性决策，即通用性和多样性之间的权衡[2]。产品族中的通用性是指构成元素(零部件、属性等)在产品系列中或不同产品系列之间的共享程度，或是为同类构成元素之间的相似性程度。目前，通用性和模块化已成为模块化产品族设计或再设计的最基本问题。

根据产品族体系结构的不同抽象层次，产品族通用性可以分为平台通用性[3]、模块通用性[4]、零部件通用性[5]、形状通用性[6]以及工艺过程通用性[7]。其中，零部件通用性研究最为广泛和深入。一般地，使用共性零部件能降低成本，能够降低库存量、缩短交货时间、降低工装时间、增加生产率和提高柔性[8]。许多研究通用性衡量对象主要集中于以零部件为分析基础衡量产品族的整体通用性[9-10]。而对于产品族中模块的通用性衡量研究比较缺乏，尤其是面向产品族演进的模块化通用性研究。因此，本文主要针对产品族中模块层的模块通用性进行分析，作为产品族动态演进设计中平台水平调整的基础。

1通用性研究现状

许多学者针对不同的研究目的从不同抽象层次(平台、零部件、形状或过程等)，根据可以获取的信息，如客户需求、产品及其构成零部件的功能结构、几何形状和材料、制造和装配工艺过程、成本和产量(或单位产品的零部件用量)等，提出了多种通用性指标或用于识别通用元素以构建与优化产品平台，或用于产品族设计或再设计过程中的通用性和多样性权衡与方案评价等。这些指标可分为两类：基于零部件的通用性指标和面向参数化产品族的通用性指标。

在基于零部件的通用性指标方面，通用性指标构建主要依据产品族中各种产品变型的物料清单或基于产品拆解后的零部件归类，如DCI[11]、TCCI[12]、CI(C)[7]、CI[13]、%C[14]、pCI[15]等。JOHNSON等[16]应用基于过程的成本核算模型计算共享与不共享零部件这两种情况下的产品族设计开发、制造和装配成本，基于零件数量并考虑重量或成本等因素构建多个通用性指标，通过线性回归分析方法剖析指标与总成本、固定成本节约量之间的关联关系。此外，基于产品族复杂网络或类物料清单表达方式，樊蓓蓓等[17]将同一种类零部件归为一个模块(零部件模块)，通过构建零部件模块网络并计算分析对零部件模块通用性有重要影响的五个参数，即零部件模块的出度、入度、介数、使用次数和使用产品数，提出基于网络模型的零部件模块通用性指标GpCI，但这一方法计算过程过于复杂。

针对参数化产品族通用性程度测量，SIMpSON等[18]提出非通用性指数NCI衡量产品族中设计变量参数变化程度。MESSAC等[21]提出产品族罚函数用于识别参数化产品族中的通用参数和扩展参数，其中通用参数构成参数化产品平台，扩展参数用于产品族实例化。李忠凯等[22]提出基于相似度的平台通用性指数用于衡量各设计变量在所有派生产品中取值的相似程度。以上指标将设计参数取值视为连续数据，通过设计参数取值向量之间的“距离”评价产品族通用性。此外，部分学者将设计参数取值视为离散数据，基于参数不相同取值的数目统计构建通用性指标，如HUANG等[23]提出的CD (Commonality Degree)。

综上所述，尽管学术界提出了众多通用性指标及其衡量方法，但是许多企业在实际产品研发过程中仍不能充分利用通用性对基于平台的产品族开发新产品或对现有的产品族进行再设计，其中原因是缺少合理方法和有效的指标来评价产品族的通用性和多样性。虽然文献中很多基于零部件通用性指标能有效指示产品族中通用性和多样性之间的均衡关系，但是不能有效获取对于产品族再设计和动态改进设计有利的充足信息。

2模块通用性与产品族演进

促使产品族模块进行调整基本有两种原因，一是企业的技术能力的进步而对现行的模块进行改进或替换，二是客户需求变化引起的功能需求重新划分或设计参数集变动调整的需要。产品族的模块化结构是由平台模块(非差异性模块)和个性模块(差异性模块)在一定的配置规则下组合而得到的。对产品族的模块库中的模块进行改进或调整，如原产品族的模块通用性较高但在新产品族中该模块的通用性可能降低，而且在模块改进或调整之后需要重新确定产品族模块库中模块的配置结构，即确定哪些为平台模块和哪些为个性模块。此时，在考虑模块的定制属性、相互影响关系以及成本的约束等因素确定平台水平，同时也有利于确定在演进过程中产品族平台水平的调整和控制。

图1　模块通用程度与平台水平

如图1所示，模块通用程度与平台水平。产品族中的模块依据通用性与差异性比率关系可以将这些模块分成通用性最大的通用模块、差异性最大的专用模块和通用性处于两者之间的变型模块。从产品族自底向上设计视角，由不同模块配置组合得到系列个性产品(p1,p2, … ,pj)从而形成模块化的产品族(pF)，此时的产品族pF有其特定的平台水平(图1中的红色虚线)，进而通过平台水平将产品族中的变型模块划分为通用-变型模块和变型-专用模块，其中通用-变型模块与通用模块共同决定了产品族的模块的平台规模。然而，在不同时间段模块化产品族的动态演进设计往往就是对原产品族中的模块进行调整(如改进、删除、合并、添加等模块操作)，通过配置形成新的产品族(pF’)，而其平台水平和平台规模可能发生了变化。平台水平变化的范围主要是在产品族中变型模块之间波动，同时平台规模也随之发生变化。因此，在产品族动态演进设计过程中模块的通用性程度定量衡量是一个关键环节。

3面向产品族演进的模块通用性指标

依据上述模块通用性与产品族演进之间关系的分析，有必要对产品族结构中模块通用性进行量化研究，为此，在模块化产品族结构模型基础上提出模块通用性指标量化方法。

3.1模块化产品族结构

假设产品族中已有J个个性产品构成，即：MpF={pj|j=1,2,…,J}，每个个性产品j表示为pj={Mjk|k=1,2,…,K}，Mjk代表第j个产品中的第k个功能模块；Mjk={mjkl|l=1,2,…,L}，mjkl为第j个个性产品的第k个功能模块的第l的模块实例；mjkl={vjklt|t=1,2,…,T}为第j个个性产品中的第k个功能模块中的第l个模块实例的特征参数集合，vjklt为该特征参数集合中的第t个特征值。如图2所示，产品族模块层次结构模型。

图2　产品族模块层次结构模型

3.2模块通用性指标

根据图2的产品族模块层次结构模型，模块通用性分析中主要从模块的功能、结构和特征参数三个方面进行判断，模块通用性判断准则如下：

(1)在功能层上，各个性产品选择模块实现相同的功能；

(2)在结构层上，各个性产品选择模块的结构相同，仅模块结构成本不同；

(3)在特征层上，各个性产品中相同功能且相同结构的模块，同性质的零件特征参数存在相似性。

基于上述三种判断准则，在产品族中的功能模块Mk的通用性可表示为：

(1)

(1)模块k在功能层上的通用性由公式(2)表示：

(2)

式中，vkj为模块k对应第j个个性产品的产量；nk,Np分别为模块所对应的个性产品数量和产品族中个性产品的总量，nk≤Np。

(2)在结构层上的模块k通用性由公式(3)表示[11]：

(3)

式中，Lk表示第k个功能模块中模块实例的总数量；nkl为有第l个模块实例对应的产品数量，nkl≤nk≤Np；Ckl为模块k的第l个实例的总成本，可以由公式(4)表示：

(4)

其中，Cklj是模块k的第l个实例在个性产品j中的成本。它可以由公式(5)得到：

Cklj=Qklj×cklj

(5)

其中，Qklj为模块k的第l个实例在个性产品j中的数量；cklj为个性产品j中的模块k第l个实例的单位成本。

那么，模块实例的最大和最小成本总和分别由公式(6)和公式(7)表示：

(6)

(7)

(3)在特征层上的模块k的通用性由公式(8)表示[13]：

(8)

式中，u为模块k中个性零件的数量，Nkl为模块实例kl中的零件数量，Lk为模块实例的数量。

产品族的通用性主要体现了组成模块的通用性程度，因此，由产品族中各功能模块的通用性CIk加权平均得到，有下面公式表示：

(9)

式中，K为产品族中功能模块的总数量，Wk为产品族中模块k的权重值。

4案例分析

X公司主营的小型轮式转载机系列可以分为：S系列、H系列、M系列、T系列和K系列，其中以M系列为基础原型研发出来T和K系列小型轮式装载机产品，这三系列间的功能结构较为相似，可以共享生产制造相关资源。本文将选择M系列(包括M-I型系列、M-II型系列)、T系列和K系列组成小型轮装产品族并作为研究对象。根据小型轮装产品的功能结构关系，可获得小型轮装产品多层次模块，由于篇幅限制，见表1所示部分模块。

为了说明小型轮装产品族的模块通用性计算过程，下面以小型轮装产品族中的柴油机模块M1作为模块通用性计算的例子。在功能层次上柴油机模块M1是各种小型轮装产品M/M-I/M-II/K/T所必须的模块，由于各小型轮装产品的产品分别是387,295,55,551,450辆。而nk和Nk分别都取值为5。那么根据公式(2)可以得到，柴油机模块M1在功能层次上的通用性为，这说明了该模块功能在产品族中各个性产品中都不能缺少。在结构层次上柴油机模块M1具有四种模块实例，即为M11,M12,M13,M14。设计者通过配置设计将这四种模块实例有选择地进行配置，见表2所示，柴油机模块实例与小型轮装的关系及成本。

0.5397

表1　小型轮装产品模块表

表2　小型轮装柴油机模块实例及成本(单位:万元)

在特征层次上，由于柴油机模块M1的四种实例都是X公司小型机的外购件，将该外购的模块实例看作一个整体，也就是说实例整体为一个零件本体。因此，根据公式(8)可以得到，柴油机模块在特征层次上的通用性为，这说明柴油机模块在产品族中具有十分显著的个性特征。

最后，由公式(1)计算获得柴油机模块在小型轮装产品族中的通用性为CI1=0.429。同理，小型轮装产品族中其他模块通用性亦可以获得。小型轮装产品族中所有模块通用性计算列表，见表3所示。在获得小型轮装产品族中各模块的通用性基础上，各模块权重均取为0.025，根据公式(9)计算小型轮装产品族的整体通用性CIpF=0.667。若取平台水平为0.4时，小型轮装产品族平台模块有:M8, M9, M12, M13,M14, M16, M18, M19, M20, M30, M33, M35, M37, M38, M40。如图3所示小型轮装产品族的不同模块类型通用性。

因此，在图3中所示的小型轮装产品族平台模型及其不同的通用性程度，这表明了该小型轮装产品族当前的平台状态。如果在小型轮装产品系列中采用同一款柴油机模块M1时，M1的通用性程度明显提高，而此时M1也将成为小型轮装产品族平台模块，从而将改变当前的产品族结构形成新的产品族结构。因此，通过对量化模块通用性指标有利于产品设计者和企业管理者便于对产品族结构演进和产品个性化设计成本控制。

表3　小型轮装产品族所有模块通用性数值

图3　小型轮装产品族的不同模块类型通用性

5结论

分别从基于零部件的通用性指标和面向参数化产品族的通用性指标两个方面进行文献综述分析，指出了模块通用性与产品族演进关系，进一步提出了基于模块化产品族结构模型的模块通用性指标，即包括模块化产品族的模块功能、结构和特征参数三层要素合成，可以分别实现模块化产品族整体通用性和个体模块通用性的衡量。模块通用性作为企业产品族当前状态衡量的重要指标，下一步的研究重点在于与模块创新以及产品族演进创新策略结合进行产品族演进创新设计。

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(编辑李秀敏)

Research on the Module Commonality for product Family Evolution

WANG Hao-lun，GAN Wei-hua

(School of Mechatronic Engineering, East China Jiaotong University, Nanchang 330013,China)

Abstract：The measurement of module commonality has an important significance upon modular product family design or redesign and its evaluation process.The commonality indexbased onparts and commonalityindex for the scale-based product family were analyzed respectively through literature review. The relationship between module commonality and product family evolution was further indicated. On this basis, the module commonality index based on product family modular structural model was proposed, and this index was formed form the modular product family module function, structure and characteristic parameters. This method can be used for measuring the modular product family’s commonality and module commonality respectively. Finally,effectiveness of this method was validated by an application example of wheel loader’s product family.

Key words：module; product family; commonality; index; evolution

中图分类号：TH162；TG506

文献标识码：A

作者简介：王浩伦(1981—)，男，浙江金华人，华东交通大学讲师，博士，研究方向为大规模定制设计、研发与技术创新管理，(E-mail)haolun123@163.com。

*基金项目：国家自然科学基金项目(51165007)；江西省教育厅科学技术研究项目(GJJ13313)

收稿日期：2014-08-06；修回日期：2015-03-30

文章编号：1001-2265(2016)01-0144-05

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.01.040