顧新建，田楚楚,2，楊青海，石 浩 ，顧 復(fù)，陳芨熙

(1.浙江大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310027；2.浙江每日互動(dòng)網(wǎng)絡(luò)科技股份有限公司 b2d-研發(fā)部，浙江 杭州 310018；3.中國標(biāo)準(zhǔn)化研究院 高新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究所,北京 100191)

已經(jīng)到來的新一輪工業(yè)革命，在德國叫“工業(yè)4.0”、在美國被稱為“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”.其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模定制，即：產(chǎn)品是多樣化和個(gè)性化的，但其制造成本、效率和速度與大批量生產(chǎn)相差無幾.實(shí)現(xiàn)大規(guī)模定制的方法主要是智能制造和大范圍的專業(yè)化分工.對于許多產(chǎn)品，如機(jī)械類、家電類、家具類、建筑類等產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模定制的有效方法之一是對多樣化和個(gè)性化產(chǎn)品中的零部件進(jìn)行模塊化，目標(biāo)是提高零部件通用化和標(biāo)準(zhǔn)化程度，有效支持深度的專業(yè)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(chǎn)的專業(yè)化自動(dòng)生產(chǎn)線進(jìn)行加工；少數(shù)的專用零部件可采用智能制造方法進(jìn)行加工，從而達(dá)到大規(guī)模定制的目的.

模塊化設(shè)計(jì)作為一種設(shè)計(jì)方法，近幾年日益受到人們的重視，隨著模塊化技術(shù)逐漸成熟，其應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大，已經(jīng)在許多行業(yè)的應(yīng)用中取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益.模塊化是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模定制的主要方法，也是新一輪工業(yè)革命的基礎(chǔ)之一.模塊化在新一輪科技革命中依然具有重要價(jià)值.模塊化設(shè)計(jì)的直接目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化(它可以用模塊化率指標(biāo)進(jìn)行評估)，其最終目標(biāo)是提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境友好性.產(chǎn)品模塊化的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境友好性評估已經(jīng)在文獻(xiàn)[1]中進(jìn)行討論.本文主要討論產(chǎn)品模塊化率的評估指標(biāo)和方法.模塊化率通常與產(chǎn)品模塊化的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境友好性正相關(guān).模塊化率又稱模塊化程度.

模塊化率評估的需求主要體現(xiàn)在：①在模塊化立項(xiàng)階段，需要了解模塊化可能會(huì)優(yōu)化到什么深度；②在模塊化實(shí)施階段，需要考慮如何提高產(chǎn)品的模塊化率；③在模塊化設(shè)計(jì)完成階段，需要評估產(chǎn)品的模塊化率.模塊化率評估是模塊化設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，有助于減少模塊化的盲目性.一個(gè)全面科學(xué)合理的模塊化率評估指標(biāo)體系可以有效支持企業(yè)的模塊化工作決策.模塊化率評估結(jié)果的反饋，使得模塊化設(shè)計(jì)過程成為一個(gè)閉環(huán)，有利于不斷提高企業(yè)模塊化產(chǎn)品的質(zhì)量和用戶滿意度.

國內(nèi)外學(xué)者曾對模塊化率評估進(jìn)行過研究.劉夫云等采用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論對產(chǎn)品模塊化率進(jìn)行了比較分析，但所導(dǎo)出的模塊化率評估參數(shù)還不夠直觀，工程應(yīng)用較難[2].吳煥民等采用模塊獨(dú)立性指標(biāo)，基于模糊聚類方法進(jìn)行產(chǎn)品模塊分解，但其評估指標(biāo)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(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)的多準(zhǔn)則模塊分解方法[4].這里的模塊化評估準(zhǔn)則主要是模塊獨(dú)立性和可靠性.劉麗萍從模塊化設(shè)計(jì)思想出發(fā)，對模塊的標(biāo)準(zhǔn)化程度評估方法進(jìn)行探討，研究了模塊化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品繼承性的分析方法[5].安苗苗基于情感化設(shè)計(jì)，選定本能、行為、反思層的不同指標(biāo)，通過模糊層次分析法得到了手機(jī)模塊化率評估結(jié)果，并對手機(jī)模塊化設(shè)計(jì)體系進(jìn)行了系統(tǒng)評估[6].其中存在大量專家打分情況，評估結(jié)論的主觀程度偏大.王玉豪分析模塊化產(chǎn)品設(shè)計(jì)評估指標(biāo)后建立層次評估模型，對模塊化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的個(gè)性化程度進(jìn)行評估，在多個(gè)設(shè)計(jì)方案中選出了最優(yōu)的模塊化產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案[7].該方法需要在模塊化設(shè)計(jì)前期收集大量用戶需求數(shù)據(jù)，同時(shí)其降低了設(shè)計(jì)人員意見所占權(quán)重，導(dǎo)致模塊化設(shè)計(jì)工作的難度加大.單泉等以產(chǎn)品定制度和用戶滿意度為準(zhǔn)則，對定制產(chǎn)品的模塊化進(jìn)行評估，其評估指標(biāo)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(fā)，對國內(nèi)外船舶模塊化建造方法進(jìn)行評估[9].其評估方法專門針對船舶制造領(lǐng)域，對其他機(jī)械模塊化率評估的通用性不足.STANKIEWICZ等提出的基于單獨(dú)區(qū)分網(wǎng)絡(luò)元素的模塊建模評估方法，側(cè)重于對模塊建模方法的評估[10].GRIMMELIUS通過模塊化空調(diào)器的早期故障評估信息反饋來減少設(shè)計(jì)失誤，而缺乏對模塊化空調(diào)器生命周期的整體評估[11].

本文基于相關(guān)文獻(xiàn)，擬提出模塊化率評估指標(biāo)體系，并針對其中各指標(biāo)提出具體的計(jì)算方法，以期實(shí)現(xiàn)產(chǎn)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(shè)計(jì)、制造、裝配、維護(hù)和回收等產(chǎn)品生命周期各環(huán)節(jié)，其中模塊化設(shè)計(jì)是模塊化的關(guān)鍵.

模塊化設(shè)計(jì)主要包括：①對產(chǎn)品中的模塊進(jìn)行分解；②對產(chǎn)品通用模塊和配置方法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，并建立模塊化平臺(tái)；③針對個(gè)性化訂單，開展基于模塊化平臺(tái)的配置設(shè)計(jì)和變型設(shè)計(jì).模塊化率評估指標(biāo)與模塊化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的優(yōu)化目標(biāo)直接相關(guān).

1.1 模塊分解階段的模塊化率評估

產(chǎn)品的模塊分解，首先需要開展市場調(diào)研，收集并預(yù)測客戶需求，然后提出產(chǎn)品總體設(shè)計(jì)要求，再將產(chǎn)品劃分為若干功能和結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的分解順序，對產(chǎn)品進(jìn)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(chǎn)品模塊樹型結(jié)構(gòu)分解示意圖.

圖1 產(chǎn)品模塊樹型結(jié)構(gòu)分解示意圖

例如，最初的計(jì)算機(jī)是整體式架構(gòu)，其設(shè)計(jì)和維護(hù)難度很大.在20世紀(jì)60年代，IBM公司實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)模塊化.其模塊可分別開發(fā)和設(shè)計(jì)，使計(jì)算機(jī)技術(shù)得到迅速發(fā)展.同時(shí)，計(jì)算機(jī)的模塊化導(dǎo)致硅谷的誕生，出現(xiàn)了許許多多有能力開發(fā)計(jì)算機(jī)不同模塊的創(chuàng)新型小企業(yè)[13].

模塊分解的優(yōu)化目標(biāo)是：模塊間的關(guān)聯(lián)度(又稱聚合度)要盡可能小，模塊內(nèi)各零部件的關(guān)聯(lián)度要盡可能大(圖2).因此，在產(chǎn)品模塊分解階段，模塊化率的評估指標(biāo)是模塊獨(dú)立性和模塊封裝性.

圖2 產(chǎn)品模塊分解的優(yōu)化目標(biāo)

1.2 模塊通用化和標(biāo)準(zhǔn)化階段的模塊化率評估

在模塊通用化和標(biāo)準(zhǔn)化階段，需要對不同產(chǎn)品的相似模塊進(jìn)行建模，使盡可能多的模塊實(shí)現(xiàn)通用化和標(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)品中的模塊相似性，確定模塊的少量主參數(shù)(主參數(shù)少則容易控制)；然后通過主參數(shù)控制其他模塊參數(shù)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(biāo)準(zhǔn)化，設(shè)計(jì)支持模塊配置的產(chǎn)品主結(jié)構(gòu)等；最終構(gòu)成模塊化設(shè)計(jì)平臺(tái).

產(chǎn)品模塊通用化和標(biāo)準(zhǔn)化的優(yōu)化目標(biāo)是：提高模塊的通用化程度，盡可能將專用模塊轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄓ媚K，而將通用模塊轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)模塊，以降低生產(chǎn)成本.該階段的模塊化率評估指標(biāo)為模塊的通用性(圖3).

圖3 產(chǎn)品模塊通用化和標(biāo)準(zhǔn)化階段的模塊化率評估指標(biāo)

1.3 產(chǎn)品配置和變型設(shè)計(jì)階段的模塊化率評估

在建立模塊化產(chǎn)品設(shè)計(jì)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，可根據(jù)用戶個(gè)性化需求，在用戶訂單到達(dá)后快速進(jìn)行基于產(chǎn)品主結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品配置設(shè)計(jì)[14]和基于產(chǎn)品主模型的變型設(shè)計(jì)[15].基于產(chǎn)品主結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品配置設(shè)計(jì)優(yōu)化目標(biāo)是：用盡可能少的通用模塊配置盡可能多的產(chǎn)品變型.基于產(chǎn)品主模型的產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)優(yōu)化目標(biāo)是：產(chǎn)品模塊的變化在盡可能小的范圍內(nèi)，滿足用戶盡可能多的個(gè)性化需求.

因此，在產(chǎn)品配置和變型設(shè)計(jì)階段，模塊化率評估指標(biāo)為：所配置和變型的不同產(chǎn)品數(shù)量的增加率、所配置和變型產(chǎn)品中不同模塊數(shù)量的減少率等(圖4).

圖4 產(chǎn)品配置和變型設(shè)計(jì)階段的模塊化率評估指標(biāo)

1.4 模塊化率評估指標(biāo)體系

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

圖5 產(chǎn)品模塊化率評估指標(biāo)

2 模塊化率評估指標(biāo)計(jì)算方法

2.1 模塊獨(dú)立性評估算法

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

記模塊i與模塊j的關(guān)聯(lián)度為ki,j，且ki,j取值在0到1之間，其中1≤i，j≤q，則產(chǎn)品中q個(gè)模塊之間的關(guān)聯(lián)度(Module Correlation,MC)為：

(1)

模塊獨(dú)立性 (Module Independence,MI)與模塊功能關(guān)聯(lián)度MC的關(guān)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(fù)用性等)可以通過模塊在不同產(chǎn)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(jù)數(shù)據(jù)從少到多、計(jì)算難度從小到大，依次為：基于通用模塊數(shù)量的模塊通用性評估，基于通用模塊價(jià)值的模塊通用性評估，基于重復(fù)使用次數(shù)的模塊通用性評估，基于重復(fù)使用次數(shù)和模塊價(jià)值的模塊通用性評估.

2.2.1 基于通用模塊數(shù)量的模塊通用性評估

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

MU1=TM/TP

(3)

顯然，TM≤TP，當(dāng)產(chǎn)品中不同零部件都為通用模塊時(shí)，模塊通用性為1.

這里，至少在兩種不同產(chǎn)品中使用的模塊稱為通用模塊.

2.2.2 基于通用模塊價(jià)值的模塊通用性評估

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

MU2=TMV/TPV

(4)

顯然，當(dāng)產(chǎn)品族中不同產(chǎn)品的零部件都為通用模塊時(shí)，模塊通用性為1.通用性并不與產(chǎn)品的價(jià)值完全一致.

例如，汽車底盤和標(biāo)準(zhǔn)螺栓都是通用件，但兩者的價(jià)值顯著不同.

2.2.3 基于重復(fù)使用次數(shù)的模塊通用性評估

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

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

(5)

顯然，當(dāng)所有的零部件都為通用模塊，并且在所有產(chǎn)品中都應(yīng)用的話，模塊通用性為1.

2.2.4 基于重復(fù)使用次數(shù)和模塊價(jià)值的模塊通用

性評估

通過模塊在產(chǎn)品族的不同產(chǎn)品中的重復(fù)使用次數(shù)進(jìn)行評估，并同時(shí)考慮模塊的價(jià)值.

記模塊h的價(jià)值為Vh，則基于重復(fù)使用次數(shù)和模塊價(jià)值的模塊通用性為：

(6)

3 案例分析

本文通過對家用豆?jié){機(jī)產(chǎn)品的模塊化率的評估來驗(yàn)證論文提出的方法[16].

3.1 家用豆?jié){機(jī)模塊分解

圖6所示為家用豆?jié){機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖.

圖6 家用豆?jié){機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖

家用豆?jié){機(jī)的模塊分解結(jié)果如圖7所示.

圖7 家用豆?jié){機(jī)的模塊分解結(jié)果

3.2 家用豆?jié){機(jī)模塊化率評估

3.2.1 家用豆?jié){機(jī)模塊的獨(dú)立性評估

根據(jù)家用豆?jié){機(jī)模塊在結(jié)構(gòu)和功能上的相互影響，對模塊間的關(guān)聯(lián)度進(jìn)行0～1的打分，“0”分表示兩模塊在結(jié)構(gòu)連接和功能上都毫無關(guān)系，“1”分表示在結(jié)構(gòu)連接和功能上都是強(qiáng)相關(guān)，從而得到表1所示的家用豆?jié){機(jī)模塊之間的關(guān)聯(lián)度.

表1 家用豆?jié){機(jī)模塊之間的關(guān)聯(lián)度

關(guān)聯(lián)度定義說明：完全關(guān)聯(lián)：ki,j=1；強(qiáng)關(guān)聯(lián)：0.8≤ki,j<1；有關(guān)聯(lián)：0.2≤ki,j<0.8；弱關(guān)聯(lián)：0

根據(jù)式(1)和表1數(shù)據(jù)計(jì)算可得，家用豆?jié){機(jī)各模塊的關(guān)聯(lián)度為MC=0.36.通過式(2)得到的模塊獨(dú)立性為：MI=0.64.

3.2.2 家用豆?jié){機(jī)模塊的通用性評估

采用基于通用模塊數(shù)量的通用性評估方法.家用豆?jié){機(jī)各系統(tǒng)中總模塊、通用模塊、標(biāo)準(zhǔn)模塊和專用模塊的具體分布如表2所示.這里，可將標(biāo)準(zhǔn)模塊歸納在通用模塊中進(jìn)行計(jì)算.

表2 家用豆?jié){機(jī)模塊類型分布

根據(jù)表2數(shù)據(jù)，利用式(3)可算得：MU1=88/144=61.1%.

4 結(jié)束語

本文建立了產(chǎn)品模塊化率評估指標(biāo)體系參考模型，在綜合考慮評估指標(biāo)相對獨(dú)立性、普遍適用性、綜合性的前提下，提出基于模塊獨(dú)立性、通用性、封裝性、產(chǎn)品種類的增加率、新增零件數(shù)減少率等5個(gè)指標(biāo)的模塊化率評估方法，并在此基礎(chǔ)上，將5個(gè)指標(biāo)壓縮為模塊獨(dú)立性和通用性兩個(gè)指標(biāo)，對產(chǎn)品模塊化率進(jìn)行綜合評估.

最后以家用豆?jié){機(jī)為例，對產(chǎn)品模塊化率評估指標(biāo)及評估方法進(jìn)行了可行性驗(yàn)證.