模块化是复杂产品系统发展的“必由之路”——献给标准化大师李春田教授

童时中（国网电力科学研究院）

模块化是复杂产品系统发展的“必由之路”
——献给标准化大师李春田教授

童时中（国网电力科学研究院）

本文是对李春田教授“事关国家兴衰的标准化领域——复杂产品系统的标准化”一文的响应。在简要回顾该文精辟论点的基础上，从模块化理论的由来、“设计规则”指导下的模块化设计制造、运用综合标准化方法管理企业的共享技术要素（平台）三个方面进行论述，并列举案例。进一步结合作者对“现代模块化”理论的理解和实践，提出复杂产品系统的顶层设计和路线图的模式；并认为该文的价值还在于指明了我国标准化发展的方向性问题——现代标准化的基本方法。

复杂产品系统 模块化 综合标准化 顶层设计和路线图 现代标准化方法

0 前言

最近拜读了李春田教授的新作，他使用了一个令人振聋发聩的标题：事关国家兴衰的标准化领域——复杂产品系统的标准化[1]。这既是一位著名标准化学者的研究成果，也是他对“事关国家兴衰”大事发出的大声疾呼，应引起有关决策者（官员）、管理学专家和企业家的充分关注。

标准化在信息时代的重要性，已引起广泛注意。甚至为了表明自己对标准化的重视而喜欢引用诸如“得标准者得天下”“一流企业卖标准、二流企业卖专利、三流企业卖产品”之类的口号。愿望有了，但具体目标是什么？该从何处下手？如何做？

长久以来，“复杂产品系统”的标准化模式问题，一直是困扰人们的难题。李春田教授集几十年标准化理论研究和实践，“在论述了复杂产品系统的极端重要性并概括了复杂产品系统与一般产品不同的特征之后，指岀了对复杂产品系统开展标准化的必要性。” 并针对复杂产品系统的标准化，创造性地提出了三种运作模式：A模式——基于黑箱理论的模块化；B模式——基于系统理论的综合标准化；A+B模式——模块化与综合标准化互相融合。并对这三种模式的理论基础、运作方式和表现形式做了简明、精辟的论述。提出A模式的理论基础是黑箱方法，运作方式是“设计规则”指导下的模块化设计制造；B模式的理论基础是系统分析方法，运作方式是综合标准化。

事实上，A模式、B模式和A+B模式是一种普遍适用的方法，只是简单产品易于入手，并较快见到实效。但面对多学科知识集成的、因复杂性和不确定性而导致多品种、小批量生产的复杂产品系统的标准化，该从何处下手,正如欲啃一只全羊，不知如何下口一样，往往使人望而却步。然而，一旦入门则可取得超出预想的效益、取得竞争的优势。这也是李春田教授撰写此文的动因，呼吁复杂产品系统的决策者和生产厂迎难而上，并提供了切实可行的实施途径。

李春田教授明确地指出，在未来的国际竞争中，复杂产品标准化“这个领域必将成为一个焦点。哪个国家要想使自己的复杂产品系统在国际市场占有一席之地，那就一定要占据这个标准化高地。”

本文的目的是响应李春田教授的呼吁，从我与一些生产复杂产品的企业的合作或接触的实践，来印证他的理论的正确性和重要性；并着重谈一点实现复杂产品标准化（模块化）途径的粗浅见解。

1 模块化理论的由来

模块化思维是人的本性，中医中药、规模庞大的秦兵马俑、活字印刷等都体现了模块化思维。但把模块化有意识地用于产品设计，则是近代的事情。20世纪20年代出现了德国的模块化机床和美国的模块化电子设备，到60年代IBM的模块型360电脑系统达到了登峰造极的地步。然而这些都被视为个例，没有看到它的普世价值。直到20世纪末才形成系统的模块化理论，并且一下子就出现了三个基于模块化的理论体系：现代标准化、大规模定制和现代模块化理论。

我国以李春田教授为代表的标准化工作者，早在20世纪90年代初就投入对模块化的研究。把模块化以标准化的高级形式，纳入标准化理论范畴，把传统标准化推向现代标准化。模块化作为标准化的前沿技术和现代化标志，为信息时代“多品种、小批量”产品的设计制造模式指明了方向和途径[2]。

美国学者派恩和安德森，在20世纪90年代末提出了“大规模定制”的理论。从企业管理切入，提出了一套以大规模生产的速度和成本，满足用户的定制需求的方法。其技术基础是产品模块化，明确提出“模块化是大规模定制的产品开发中的关键”。“大规模定制”是制造业的又一次革命，是“21世纪企业竞争的前沿”[3]。

美国哈佛商学院的两位院长鲍德温和克拉克，通过对硅谷风险企业成长过程的考察，发现“硅谷现象”的本质是“模块化”，是设计上的模块化战略最终导致电脑产业结构的飞速升级和持续的创新过程。继而通过对1964年IBM360模块型电脑系统的追根溯源研究，把复杂的模块化理论和技术归结为极为简明的“设计规则”，成为具有普遍意义的、解决“复杂系统问题”的新方法，并由此引申出“模块时代”的新概念，声称“我们现在已进入了模块化的大发展时期”。这一理论被国际学术界誉为，具有开创性和里程碑意义的“现代模块化”理论，并引发了一轮新的全球性的“模块化热”，使“模块化”概念成为经济学和管理学专家、政府官员、企业家之间的最热门话题之一[4，5]。

这三个理论体系，产生于同一时期，都是围绕模块化展开的，具有异曲同工之效。模块化何以能成为如此广泛领域的骄子？鲍德温和克拉克一语道破天机：模块化是解决复杂系统问题的有效工具。

2 “设计规则”指导下的模块化设计制造

2.1 模块化设计——将随机性设计转化为规范化设计

传统的产品设计方法是设计师的随机的一体化设计，其基本特点是：面向特定产品，以满足用户的订单需要为唯一目标，着眼于特定的功能设计和详细设计。这是一种相互依赖型设计，部件间设计参数相互依赖的程度相当高，如果一个部件设计比较差，则会损害整个系统，而一个部件的修改会牵动相邻部件也需修改，甚至“牵一发而动全身”。不仅如此，这种刚性的产品结构模式难以满足用户多样化、个性化的需求，而形成功能相似的产品品种的无序膨胀。使得产品设计制造周期长、成本高、灵活性小，难以适应市场竞争的需要。

对于一般产品系统而言，一个产品的设计由一人或几个人即可完成，产品稍作修改就可满足用户的差异化需求，即便重新设计一个相似的产品，也花费不了多少精力。这也是生产一般产品的企业没有心思花费精力来搞模块化，满足于采用传统标准化方法，制定企业的通用零件或通用部件手册的原因。

复杂产品不是一个孤立的产品而是一个大型技术系统，由庞大的研发、制造团队和复杂的管理体系组成。面对复杂产品系统所固有的特征，例如系统结构的高度复杂性、多学科知识集成、高度集成化、与时间变量有关的动态性等[1]，所带来的多品种、小批量和不确定性，导致零部件品种规格恶性膨胀和相伴的产品质量、成本、速度等问题，成为困扰多数企业的噩梦。

解决复杂产品系统的基本思路是将复杂系统化整为零进行处理，把高度困难的任务变得相对容易。模块化则是解决复杂产品系统的有效方法，它是系统工程方法（系统的分解和组合）和标准化方法（典型化、规范化、通用化、系列化、组合化）相结合的产物。运用系统工程的原理和方法，对产品族进行分解和分析；运用标准化方法把其中相同或相似的功能单元或要素分离出来，经简化、归并、集成，统一为一系列的标准单元（模块）；用不同模块的柔性组合构成多样化的产品[6]。

模块化产品主要由模块组合而成，其基本特征是：

（1）模块是通用部件，具有功能互换性和/或尺寸互换性，并往往构成系列供产品选用。

（2）模块是具有通用接口的黑箱（或白箱），模块之间是相互独立的，只受一组通用“设计规则”的约束。各模块可“背靠背”独立设计，一个模块的修改不影响相邻模块的稳定。

（3）产品由模块组合构成，通过模块搭配的灵活性（柔性）创造新产品。高水平的模块化产品，可如同电脑那样“即插即用”。

2.2 运用“设计规则”理顺复杂产品系统的架构

模块化产品（包括模块）的设计必须遵循预先制定的“设计规则”，由设计规则界定该产品系统的架构。在此架构制约下，开展产品和模块的设计，使由独立模块的柔性组合，可以集成为多种多样的产品，并保证其集成的质量。产品系统的“设计规则”由三部分组成[7]：

（1）“结构规则”：系统的结构规则就是系统工程中的“体系（层次）结构”（结构树）。又称系统“分割规则”，即系统分解为模块的规则。通过“结构规则”固化系统的结构模式。

（2）“接口规则”：规定模块如何互联，如何交换信息。其实质是，通过“接口规则”固化模块间的接口特征。

（3）“评定规则”：检验模块是否符合“接口规则”，评定“黑箱”型模块能否保证系统集成质量。这是评定模块的“标准”。

在设计规则约束下，模块成为具有通用接口的“黑箱”（或白箱），模块可以“背靠背”地自由创新；产品设计者甚至用户，可以自由“选择”模块来组成所需的、个性化的新产品。基于“设计规则”的模块化，使产品的构成具有柔性，可实现以最少的模块品种满足市场的多样化需求，最大限度地控制了产品品种规格的无序膨胀。

模块化是诸多标准化形式在产品系统总体标准化上的综合运用，模块化可简洁地表达为：

模块化＝结构典型化＋接口规范化＋通用化＋系列化＋组合化

其中：前两项是“设计规则”（自上而下）；后三项是“三化”（自下而上）。

由此可见，运用模块化方法来规划产品系统，可使高度复杂的产品系统变得脉络清楚，轮廓清晰。同时，模块化这一标准化形式也给出了实施模块化的基本方法：自上而下制定“设计规则”；自下而上研发模块（需符合设计规则）。

2.3 模块化模式产品的制造和营销

重组产品生产线，形成零件制造、模块组装和产品总装三类不同功能的生产线；扩大模块的“外协”“外包”，形成以整机厂为中心的模块生产簇群，以提高专业化生产水平，提高质量、降低成本、缩短产品制造周期。

实施模块化销售，提供多种模块和产品构成模式，提供用户选择，构成用户所需的个性化产品。

改变产品维修模式，以模块作为维修单元。

【案例】

（1）生产工程机械的“三一重工”股份有限公司，由于企业的快速发展，导致零部件品种规格恶性膨胀、不堪重负。为此，公司一把手亲自主持了标准化研讨会，寻找出路。在了解了模块化理论后，采取果断措施，把产品结构模式，由一体式改为模块式，按模块划分设计团队，集中和强化了专业化设计，进行产品研发模式和组织结构的重组和革新。

（2）国网电力科学研究院（“南瑞”集团公司）的继电保护研究所，精通技术的一把手，亲自抓模块化设计，开发出质优、稳定的20种插件（组件）模块，可组装出百余种产品，覆盖了不同类型的全部产品系统；编制产品手册，列出构成产品的模块，供用户选用，实现了模块化的销售。

（3）生产橡胶轮胎机械的软控公司，研究院院长亲自抓模块化工作，成立各级模块化小组。尤其是把归属于四大类产品的软件设计人员，集成为一个团队。把四个特定的软件系统转化为在统一架构规范下的、公司级的模块化软件系统，建立了通用模块化软件库。1人可完成原来7人的工作量。取得了超出预期的效果。

（4）南车四方厂，对新定型的城轨列车按模块化方法进行逆向分析，从确立“设计规则”入手，将其提升为“基型”车型，提出形成派生系列的方法；并为产品系统的模块化总结出5个“模块化设计导则”规范（企业标准），为各类列车系统产品的模块化提供指导。

（5）昆船公司的输送类产品的模块化设计，在明确了系统的结构规则和接口规则后，形成了由通用模块系列、通用接口模块系列、一种改型模块（仅对一个线性尺寸进行参数化设计）组成的模块化产品系统。更重要的是编制了一个设计软件，输入行李输送路径，即可自动生成行李输送线的总装图（模块配置图），从库房领出相关通用模块，制造几个改型模块，即可在现场按总装图进行装配。

3 运用综合标准化方法管理企业的共享技术要素（平台）

3.1 综合标准化方法的模块化实质

综合标准化是“为了达到确定的目标，运用系统分析方法，建立标准综合体，并贯彻实施的标准化活动”。即IEC所提倡的“自上而下”的标准化方法，将系统进行自上而下的分析，使复杂系统简化。它是以某一标准化对象为中心，综合地、成套地解决问题的方法。其工作重点是为各个标准化对象建立“标准综合体”。每个标准综合体都是一个（大小不同）系统，可构成层次。事实上各层次的标准综合体都是一种“标准模块”（由相关标准组成的“成套标准”）。所谓建立规范体系和共享技术平台，实际上就是为不同标准化对象建立“标准综合体”，或者说是建立可供共享的不同功能的“标准模块”体系[7，8]。

3.2 共享平台是产品模块化体系的必要组成部分

复杂产品是一个由庞大的技术要素构成的系统，它必须是有序的而不是杂乱无章的。正如李春田教授指出的，“要创建一个复杂产品系统或者要解决复杂产品系统中的某些问题时，标准是必不可少的。”即一个共享技术要素平台是必不可少的。运用综合标准化方法梳理众多的技术要素，形成脉络清晰的技术平台，供模块化设计制造之用。

将各种可供复用和共享的技术要素优化、规范化，使之成为企业标准，摆上共享技术平台，作为企业的技术法规，指导制约设计制造。其价值在于：

（1）将相关技术知识与实际经验相结合，转化为适于工程应用的、具有可操作性的、适合于企业特点的、实用的共享技术。相当于是一本紧密贴合企业实情的“技术手册”。

（2）为快速、优质地进行产品研发、创新，提供一个科学的、综合的、坚实的基础（平台），使企业取得最大效益。有助于提高企业技术工作的质量和效益。

（3）抑制各技术要素的无序膨胀。

（4）是标准化、模块化方法在企业的综合性、创造性的运用。推动企业的技术工作全面走上规范化。

在现代标准化中，构建和贯彻“共享技术平台”是标准化人员的主要工作任务。

3.3 企业共享技术平台的构成

（1）产品体系平台（产品库）：列出模块化产品系统系列型谱（体系表），表达产品系列（横向基型系列和纵向的基型派生系列）的构成，以及产品发展的趋势。体系表应及时“新陈代谢”，补充新开发的产品，淘汰低质、过时的产品。

（2）模块体系平台（模块库）：给出模块体系（机械结构、电路、动力、软件等模块）的结构层次图，列出最底层“标准综合体”的模块明细表。

（3）标准体系平台（标准体系表）：给出标准体系（包括上级标准体系和企业规范体系）的架构，列出最底层“标准综合体”的标准明细表。

（4）通用物料体系平台——（外购）通用物料库：

——罗列设计及制造需用的、成熟的各种通用物料，供查询、选用 。应列出优选、可用、限用，对选用进行引导。用于控制品种、规格，约束各类要素的无序膨胀。

——给出通用物料体系（包括：原材料，电力、电子元器件，动力件和装置，其他外购件等）的架构，列出最底层“标准综合体”中的物料明细表。

（5）知识体系平台：罗列企业适用的各类知识介绍和培训教材等。

（6）其他各种特定功能（专题）的“标准综合体”，例如，各种直接与产品设计制造技术有关的技术管理体系：按ISO 9000系列标准建立的质量管理体系，按ISO 14000系列标准建立的环境管理体系，安全管理体系，物资管理体系，生产管理体系等。

4 复杂产品系统的顶层设计和路线图

面对令人眩目的复杂产品系统，该如何下手 设计？

4.1 模块化产品系统的顶层设计

按照模块化理论和设计原则，运用逆向工程和再工程（再思考、再认识）方法 ，对已有产品系统进行重组，形成由模块和模块化架构组成的新的产品体系模式。为此需自上而下进行顶层设计——确立产品系统的“设计规则”（结构规则、接口规则、评定测试规则），并以企业规范的形式固化之。把一个相互依赖的、混沌的、不确定的产品系统转化为一个由一系列相对独立的模块组成的、脉络清晰的、稳定的模块化产品架构。

4.2 实现产品模块化的基本途径

把模块化理论转化为一系列规则性的或指导性的、可操作的设计方法规范，用以约束设计，把设计活动纳入模块化的轨道，使设计方法规范化。

模块化设计，可由三个类型的设计方法规范来表达，这三类设计规范可分别用于产品设计和模块设计（下面仅介绍产品设计方法，用于模块时，可将模块视为产品）：

（1）“设计规则”类规范：规定和固化产品系统的构成模式和子系统间的联系。设计规则主要由“结构规则”和“接口规则”两部分组成（“检测规则”可视产品特点而定）。

（2）“设计导则”类规范：其实质是总体设计指导书，介绍为实现技术要求的解决方案。

（3）“基型结构及其派生设计指南”类规范：是对产品或模块的基型的描述，也是其派生型详细设计的指南。

这三种设计方法规范，是资深设计师设计经验的综合，可以将“随机性设计”，转化为“规范化设计”。应对订单的产品设计大多变成了在“规范性产品”模式基础上的派生设计（“按葫芦画瓢”式设计），可由一般工程师承担；资深设计师可从低层次的常规设计中解脱出来，从事专题性研究和新产品开发；把这些规范作为设计评审的主要依据之一，以此来约束模块和产品品种规格的无序膨胀。

4.3 模块化产品设计的基本方法

（1）模块组合法：

——不同模块组合构成柔性的、可演进的、多样化的产品，实现“以不变或少变（模块）应多变（用户需求）”的产品开发模式。

——产品主要由通用模块组成，对部分模块进行变型设计和/或设计专用模块，即可推出新产品：

新产品 ＝ 通用模块(不变部分)＋改型模块(准通用部分)＋新功能模块(专用部分)

或表达为：个性化产品 ＝ 通用(固化)模块 ＋可变(可编辑)模块 ＋ 可选(个性化)模块

（2）基本型派生法：集中力量研制一种基本型（或选用一种成熟的现有产品，经改造提升为基型），以其为基础，通过变型（某些零部件的附加、删除、替换、再加工），派生出满足多种个性化需求的产品。

（3）实际应用：组合法＋基本型派生法。组合是构成产品基本方法，基型派生法是产品模块化实际应用的方法。

4.4 运用并行工程加快模块化进程

（1）为加快产品模块化进程，可上、下结合，并行展开：

——顶层设计（自上而下）：运用现代模块化方法制定“设计规则”，固化系统架构和模块间的接口（保证系统的稳定）。

——模块系列设计（自下而上）：在遵循“设计规则”的前提下，运用传统的大家熟悉的标准化方法（通用化、系列化），建立模块体系。可将现有产品的部件改造提升为部件级通用件（模块），或通过新产品设计带出模块，供产品组合之用。

（2）顶层设计、设计方法规范制定、共享技术平台构建齐头并进。【案例】

华为公司通过近20年的奋斗，由一个十几人的小作坊发展成为全球瞩目的、IT行业的一匹“黑马”，与其持续不懈地推行标准化和模块化是分不开的：

——实施的只抓核心技术，把通用模块的制造剥离出去、改为“外协”“外包”的策略，有效地分散和化解风险，安全地度过了IT行业的“冬天”。

——成立由几十人组成的公司级模块化架构办公室，各大设计部门均成立架构部，以强化、细化产品的架构（总体）技术。

——提倡对现有体系的再思考、再认识，不断提高产品系统的模块化水平。例如，华为上海研究所，成立由一名顶级设计师为首的10余人团队，专职全力投入对产品系统构成模式进行再思考、再认识，确立了清晰的模块化架构，实现了产品系统的更新换代，形成了能适应快速变化市场竞争的、具有柔性结构的模块化产品系统。

——由资深设计师牵头，制定各类产品的设计指导书（企业标准），规范和指导产品设计，不仅缩短了产品设计周期，并使一般工程师也能设计出具有国际水平的产品。

——推行全员标准化，要求各技术部门面向设计制造各环节，制修订相应规范，建立各部门的规范体系（包括模块体系、规范体系和通用物料体系）。

——不断调整组织结构，扩大通用模块的设计团队，缩小特定产品的设计团队。

——对库存通用物料，定期实行“大扫除”，为工程师选用物料进行指导，控制物料的无序膨胀。

5 结束语

李春田教授的文章，不仅“论述了复杂产品系统的极端重要性”，提出了“针对复杂产品系统开展标准化的三种运作模式”，并强调“哪个国家要想使自已的复杂产品系统在国际市场占有一席之地，那就一定要占领这个标准化高地”。它的价值还在于指明了我国标准化发展的方向性问题。

李春田教授在文中呼吁“传统标准化到了该转型的时候了”[7，8]，传统标准化应顺应时代的变化而演进为现代标准化。根据他提出的“复杂产品系统的标准化”模式和《现代标准化前沿——“模块化”研究报告》《现代标准化方法——综合标准化 》的精神，我们是否可以引伸出“现代标准化”应是：

现代标准化＝传统标准化＋模块化＋综合标准化＋标准（规则）战争

即现代标准化的主要方法是否应包括下述四个方面：

——继承和运用传统标准化中行之有效的基本方法；

——将基于方法论中黑箱理论的模块化，作为认识研究对象（系统）的功能特征、行为方式及其机理的一种科学方法；

——将基于系统理论的综合标准化，作为实施标准化管理的一种科学方法；

——强烈的标准（规则）“战争”[9]意识，则是应对技术强国将自己的技术标准和知识产权上升为国际间的“游戏规则”、转化为技术（贸易）壁垒和“知识霸权”的对策。我们应积极参与国际标准化活动，取得标准话语权；积极主动参与标准（规则）的制修订，以适应国际竞争的“游戏规则”，维护我国的国家利益；对于我国具有优势的技术项目，则应去取得起草国际标准的主导权。

[1] 李春田. 事关国家兴衰的标准化领域——复杂产品系统的标准化[J]. 中国标准化，2015（3）.

[2] 李春田. 现代标准化前沿——“模块化”研究报告[M]. 北京：中国标准出版社，2008.

[3] 大卫.M.安德森，B. 约瑟夫·派恩. 21世纪企业竞争前沿——大规模定制模式下的敏捷产品开发[M]. 冯涓等，译.北京：机械工业出版社，1999.

[4] 卡丽斯·鲍德温，金·克拉克. 设计规则：模块化的力量[M]. 张传良等，译. 北京：中信出版社，2006.

[5] 青木昌彦，安藤晴彦. 模块时代——新产业结构的本质[M]. 周国荣，译. 上海：上海远东出版社，2003.

[6] 童时中. 模块化原理、设计方法及应用[M]. 北京：中国标准出版社，2000.

[7] 李春田. 企业标准体系须进行结构改革——试回答“企业标准体系该怎么办？”[J]. 中国标准化，2015（5）.

[8] 李春田. 现代标准化方法——综合标准化[M]. 北京：中国质检出版社，中国标准出版社，2011.

[9] 张平，马跷. 标准化与知识产权战略[M]. 2版. 北京：知识产权出版社，2005.

Modulization Is the Only Way on Development of Complex Products and Systems

Tong Shizhong ( State Grid Electric Power Science Research Institute )

It is necessary and difficult to carry out the standardization work of complex products and systems(CoPS). This can succeed with the aid of methods for modularity and complex standardization. Based on the existed experience, the author offers a pattern for a top level design & route chart of CoPS and puts forward the basic methods of modern standardization.

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