面向云制造的装备模块化开发管理模式研究*

王海军， 施慧斌

(沈阳工业大学 管理学院， 沈阳 110870)

面向云制造的装备模块化开发管理模式研究*

王海军， 施慧斌

(沈阳工业大学 管理学院， 沈阳 110870)

近年来，装备制造业取得了快速发展，但也面临着全球资源短缺和价格上升等诸多因素的冲击。在云制造时代，装备制造产业的转型升级面临着前所未有的战略机遇。基于行业发展形势和需求，面向装备产品提出模块化开发和管理方法，包括模块的定义、模块化产品结构管理、承接模块化开发的供应链管理模式和模块化线体布局方案，主要目的是为解决云制造中针对装备产品的客户需求分析、产品规划、海量装备产品数据信息管理和采购及生产实现等一系列问题提供思路。研究旨在为云制造形势下促进装备制造企业优化产品的开发和管理，提升其产品和服务在全球市场中的竞争力提供思路。

云制造； 装备制造业； 产业升级； 模块化； 模块实体； 产品结构管理； 供应链管理； 客户需求分析； 产品规划

云制造是一种面向未来的制造模式，通过网络将社会化的制造资源进行优化配置并提供高附加值、低成本和全球化服务，主要面向广大中小企业，云制造将是我国“十二五”的制造业信息化的主要方向之一[1-2]。近年来，辽宁省交通运输、机床等装备制造行业取得了快速发展，在“云制造”时代，辽宁应该抓住机会，在大型和成套高端装备制造企业试点并逐步推广先进制造技术和先进管理模式，大力促进装备制造业产业集群升级，在为企业提供增值服务的同时，积极促进企业间的资源共享，支持装备制造企业的异地协同设计与制造。因此，深化和加强装备制造行业的理论和实证研究，必将有助于提高辽宁装备产业国际竞争力。

装备产品大都面向工业应用，结构复杂并跨机电和信息等多学科。随着市场需求越发呈现个性化，导致装备产品针对市场区分的设计日渐精细化，装备产品阵容的增加将会导致企业总成本的上升。而当企业规模扩大时，装备产品的复杂度出现雪球效应。沉重的营运费用和财务负担严重侵蚀研发资源，导致产品技术发展艰难。

面向云制造的装备组成基本单元——零部件是由分散在各地的供应商企业提供的，如果不对这些零部件数据进行有效管理，必然会引发产品数量爆炸[3]。例如，同一类零件的制造企业可能有成千上万家，每家企业都在网上推出自己设计和制造的一些零件，这些零件的不同变型就有可能有几万个。在云制造时代，由于涉及大量的产品数据信息和服务，制造企业需要利用先进的产品管理技术支持海量制造资源的优化配置，进而实现装备产品的系列化和标准化，传统的装备设计和管理方法难以满足这要求。而模块化作为一个支撑装备创新设计、生产和管理的模式，可以有效优化零部件数量，有利于降低装备生产成本、缩短产品上市时间等，对实现制造资源的优化配置和优质服务具有重要意义。

一、模块与模块化

所谓模块，就是可组合成系统的、具有某种特定功能和标准化接口结构的、典型的通用独立单元，其具备四个特征，即可组合成系统、具有确定功能、具有确定接口、通用独立单元。模块仅为一个抽象的概念，具有标准化的接口；模块实体则是根据模块概念设计制造的实际物体，所有的模块实体都有相同的接口[4]15-17。而模块化是为了取得最佳效益，从系统观点出发研究产品的构成形式，用分解和组合的方法建立模块体系，并运用模块组合成产品的全过程[5-6]。模块化可以实现标准化和多样化的有机统一，是促进“云制造”时代下装备生产方式转变的有效手段，也正因如此，模块化才会受到装备制造行业如此广泛的关注和重视。

模块化简单地说就是定义模块、组成产品的过程，或者可以采用两个过程来涵盖，一是如何定义模块，二是如何管理这些模块，并用这些模块快速组合成产品。近年来国内外很多学者在这方面作了大量的研究，但大多侧重于学术讨论，针对模块化的处理基本上偏重于模块的划分研究[7-9]，涉及到模块化产品开发、采购、生产集成过程管理的研究较少，实用性不强[10-12]。

二、装备模块化开发和管理的关键流程

1. 量化客户需求，定义功能模块

本文提出采用模块化功能配置方法来定义模块，其目标是在考虑企业特定需求的同时，找到最优的模块化产品设计方案。模块化功能配置的五个主要步骤如图1所示。

图1 模块化功能配置的五个主要步骤

(1) 客户需求分析。处于激烈市场竞争中的装备制造企业均越来越关注客户的需求，装备的概念设计也是来自于广泛的客户需求。一般来说，可以利用以下几个步骤来分析客户需求信息，并完成从市场需求细分到产品特性的转化:①利用Kano模型来评定客户需求的优先级。②利用头脑风暴的方法定义产品特性(即产品的关键性能指标)。③利用QFD(质量功能配置)方法分析客户需求和产品特性的对应关系[13]。具体过程如图2所示。

注:关键市场是短期内贡献产品销量的重要市场；潜在市场是未来能提升市场竞争力和销量的市场。

(2) 选择技术解决方案。为了遴选出最优的技术解决方案，需要结合产品的功能分解，并综合评价实现对应功能的技术候选方案，主要步骤为:①利用功能方法树对产品功能进行逐层分解，同时考虑物理接口关系。②确定实现每个功能的技术解决方案，并对不同的技术解决方案进行综合评价，评价角度包括技术先进性、经济性、可生产性以及可采购性等，以选择出性能价格比最优的技术解决方案。

(3) 产生模块概念。为了合理地划分出功能模块，需要由研发部门牵头，会同制造、采购、市场、维修等全流程部门协同参与模块的划分讨论，各流程部门需要提出相应的模块化设计需求，这样才能真正地把模块划分成果固化到采购端、生产端，才能真正地把市场需求带进产品的研发设计过程中。全流程参与模块划分所需要考虑的关键因素如图3所示。

图3 全流程参与模块划分对应的关键考虑因素

(4) 评估模块概念。通过来自研发、生产、采购等部门的代表对以上划分出的模块概念进行评估，包括模块与模块的接口、模块的财务与工程可行性等，最终确定模块的划分方案。

(5) 优化各个模块。在完成模块定义工作后，需要对模块进行有效的管理，综合考虑技术的发展、客户需求的变化、质量、成本等要素对模块进行持续优化，以保证模块的竞争力。

2. 创建通用产品结构(GPS)，统一产品数据管理

一般来说，每个功能模块会包含一个或若干个模块实体，不同的模块实体组成模块库，并在产品全生命周期(PLM)平台中进行管理，以便设计人员维护和查询。借助于PLM平台可以实现基于模块的产品配置管理，能够有效地支持面向定单的产品设计或装配模式。

GPS(Generic Product Structure，通用产品架构)是管理模块和产品家族的有效工具。GPS提供了管理整个产品族的单一、通用的产品结构定义的能力，基于GPS可以配置出特定的产品型号实例，如图4所示。

图4 基于GPS的模块化产品配置示意

传统的产品开发模式先是开发一款产品，当需要改型时，设计人员会在该产品的BOM上进行修改，产生一款改型后的产品，因此无法做到并行产品开发，针对产品家族的差异化和标准化设计处理就越来越不合理了。

基于GPS的产品开发模式则能够有效地解决以上问题，通用的产品结构可以作为一系列覆盖用户需求的产品平台架构，基于该平台可以配置出具体的产品型号。基于GPS的产品开发需要结合中长期规划考虑未来系列化产品的共性需求和个性需求，以便在节约资源的前提下提供差异化的产品组合样式。在GPS架构定型后，当市场有某个具体需求时，可以根据具体条件产生一个产品变型来满足其需求。因此，运用GPS可以在满足市场的个性化需求和标准化之间寻找到平衡点。

3. 承接装备开发需求，完善供应链管理

采购到综合性价比高的模块是支持以上装备产品结构落地的重要条件，其中成本因素是制约企业选择模块实体方案的瓶颈。因此，需要综合考虑模块供应商的能力和实际的模块实体性能需求，吸引多个优秀供应商参与模块的竞标，促使他们进行性能与价格竞争，进而寻源出最优的供应商，创造各模块实体的最低目标成本，具体如图5所示。

图5 寻源最优模块供应商以优化模块实体的成本示意图

脱离产业链的模块化必然造成装备模块成本的上升，在云制造时代，海量的产品数据必然导致企业接触数量众多的供应商。因此，通过模块化企业可以逐渐把非核心业务外包出去，还能够整合一级供应商，并帮助他们提高管理二级、三级供应商的水平，如图6所示。

图6 模块化采购驱动供应商管理模式转型

4. 优化模块化线体布局，提升装备生产效能

为有效承接并落实装备模块化开发和采购成果，装备的模块化生产区要有有序的管理方针、KPI绩效约束等，整个工厂效能可通过模块生产区来提高。模块生产区间的库存、排程、运输、配送方式与工装必须一致，模块接口必须固定且要有一致的规格，以便模块生产区独立管理。本文所提出的模块化线体布局优化策略见图7，1为稳定的主线，体现在线长、节拍时间和工位设置上，各模块生产区与主线协调，还可以根据实际需求切换自制模块与外包，实现更具弹性的生产策略。

三、结 论

(1) 通过装备模块化开发和管理，装备制造企业在云制造时代实现全球统筹成为可能，有助于打造公司全球化的整合协同能力，在经模块化系统规范后，全球市场企划、开发、采购与供应链能达到综合最佳化。

(2) 通过模块化功能配置和通用产品结构管理，可以把客户的需求信息转化到装备产品的特性设计中，有利于在云制造形势下处理广泛的市场需求信息和海量的产品数据，为最终提供给客户个性化、低成本和全球化制造的产品与服务奠定基础。

图7 模块化线体布局优化方案示意图

(3) 推动基于模块化运作的供应链管理模式转型，有利于对数量众多的供应商加强管理，并承接装备产品开发的需求采购到综合性价比高的模块，真正实现面向云制造的模块化产品开发落地。

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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

王海军(1977-)，男，安徽滁州人，高级工程师，博士，主要从事企业战略和创新管理等方面的研究。

* 本文已于2014-09-23 14∶04在中国知网优先数字出版。 网络出版地址: 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

(责任编辑:张 璐)