产品服务系统配置中的成本评估方法

吴 斌 ，沈 瑾 ，马卫民，奚立峰

（1.上海电机学院 商学院，上海 201306；2.上海交通大学 机械与动力工程学院，上海 200240）

由于全球竞争加剧，制造商开始从以产品为中心向以服务为基础转变，并将产品和服务捆绑成一体的解决方案。这些传递使用价值，能够满足客户需求的产品服务组合被称为产品服务系统（Product Service System，PSS）［1-2］。客户需求的多样化，使得定制化PSS受到更多关注，而配置正是实现定制化的有效手段。产品服务系统配置的目的在于从给定的一组PSS实体中找到能够满足客户需求，且不违反任何实体间约束的配置方案。同时，没有新的PSS实体被创建，现有的实体间的接口也没有被修改［2］。

配置问题往往存在弱约束以致有多个可行的配置解。因此，有必要寻找最佳解决方案。在诸多优化目标中，成本最小化是最重要的标准之一。然而，PSS配置方案的成本评估研究目前还比较有限。Wang等［3］提出了一种基于本体的模块化产品服务配置方法。Long 等［2］建立了一个用于配置特定PSS的支持向量机模型，该模型能同时满足客户的功能需求和感知需求。Pezzotta等［4］提出了一个集成产品服务设计建模工具和离散模拟的服务工程框架，从而实现PSS配置方案的比较以及客户和内部绩效的评价。Dong等［5］建立一个基于本体的大规模定制下的PSS配置系统。Geum 等［6］根据接口技术提出了基于产品服务集成路线图的配置方法。Shilov［7］提出了一种在开放的信息环境下，基于信息服务的高效PSS配置方法。以上研究着重于配置系统的建立和开发，对于配置评价（尤其是PSS配置方案的成本评估）还缺乏研究。

为了填补上述研究的不足，本文旨在提出产品服务系统配置中的成本评估方法。其研究难点在于：

（1）配置方案意味着一组以结构化方式结合的实体。对于PSS，实体不仅包括产品组件，也包括服务模块［8］。为此，本文基于大规模定制理论和文献分析法，提出了基于资源、流程和PSS实体3个维度的PSS成本要素，并将PSS实体定义为其中一个维度。

（2）由于服务是面向生命周期的技术性活动［9］，故PSS是一个同时涉及多个系统联系和互动的成本对象［10-11］。同时，企业又因为服务过程面临着高度的不确定性［12］，从而加剧了PSS成本估算的复杂性。为此，本文不仅考虑了面向生命周期的分析，还进行了不确定性处理。

（3）配置阶段的成本评估主要目的在于进行方案的比较和决策，而不是对绝对成本的精确计算［10］。因此，本文基于成本分解结构和作业成本法，提出了基于比较的成本分析和决策方法，仅比较和评估造成可行配置解之间差异的成本要素。从而减少了所需的数据和信息量，降低了不准确性和不确定性。

1 PSS配置中的成本评估

1.1 理论基础和方法论

本研究主要的理论基础是决策理论以及大规模定制理论，并且综合使用了文献分析法、成本分解结构、作业成本法和不确定原理。配置问题的弱约束性使得多个可行配置解需要进行合理选择和有效决策。基于大规模定制理论在服务中的应用，本文提出了一种基于组件的PSS结构，并作为PSS成本要素的维度之一。成本分解结构是一个层次结构，在本文中具体分解为PSS实体清单。利用作业成本法，采用成本归因原理和资源消耗导向［10］的特点，本文提出基于PSS成本要素的、自下而上的成本分析和决策方法。此外，还利用不确定性CAPTOE来源［9］对不确定性进行建模。

1.2 PSS配置中的成本评估框架

基于上述理论基础和方法论，本文提出了如图1所示的PSS配置中的成本评估框架。本框架包括3个部分，即准备阶段、配置阶段以及分析和决策阶段。配置阶段是以传统的配置求解为核心内容。为了获得最佳的PSS配置方案，应考虑不同的评价标准，而成本最小化是其中一个重要标准。准备阶段主要是由成本要素和不确定性来源CAPTOE 构成，以形成对分析和决策阶段的支持。PSS实体清单、流程清单、资源清单以及CAPTOE，以知识库的形式被预先建立。对于不同的PSS，基于本文提出的清单模板，具体的信息和数据都应实例化。分析和决策阶段是整个框架的核心。分析和决策阶段的输入是在配置阶段获得的可行的配置解集合。而输出则返回到配置阶段以提交决策所得最佳PSS 配置方案。其中，EI是本文针对PSS 成本评估提出的一种指标。

2 基于3个维度的PSS成本要素

Settanni等［10］认为PSS 是一个潜在涉及多个系统的相互关联，同时又相互作用的成本对象。因此，PSS配置方案的成本对象通常是一个或多个以下内容：产品平台或产品族的一个实例；与产品相关的服务平台或服务族的一个实例。为了衡量这种成本对象，本文提出了基于3 个维度的PSS 成本要素。PSS成本要素是为实现服务活动和/或产品行为所消耗成本的基本组成。成本要素具体定义被“资源”消耗，被“流程”执行以及被“PSS实体”应用的成本。在PSS 实体清单中定义了所有相关的PSS实体，流程清单中定义了所有PSS生命周期中可能进行的活动，资源清单中则定义了所有可能被活动使用的资源。通过结合PSS实体清单、流程清单和资源清单可以获得成本要素集合。一个PSS配置方案的最终成本被视为所有相关成本要素的总和。如图2所示，成本要素CE（i，j，k）被定义为资源i被消耗，流程j被执行和PSS实体k被应用所需的成本，例如在佳能MDS（一种产品服务系统）中，i可以指人力资源，j可以指安装流程，k可以是MDS中的打印机产品。

图1 产品服务系统配置中的成本评估框架

图2 基于3个维度的产品服务系统成本要素

基于PSS成本要素，成本分析可以在结合成本分解结构和作业成本法（ABC）的原理上开展。成本分解结构是一个层次结构，在本文中具体分解为PSS实体清单。作业成本法则采用成本归因原理和资源消耗导向［10］。由此，成本项与PSS组成结构形成联系，自下而上的计算方法得以采用。PSS成本要素首先与PSS实体进行关联；进一步与流程和资源进行关联。从而PSS配置中的成本分析成为可分解方式，并与配置方案的结构化形式保持一致。

2.1 资源

本文通过文献分析来获得PSS资源清单。经过公共数据库如 EBSCO Business Source Complete、Emerald Insight、Scopus 以及Thomson Reuters ISI，利用关键词组合“产品服务系统”、“成本核算”、“生命周期成本”、“全寿命成本”等的搜索。首先获得了267篇文献，清除了明显超出本文研究范围的文献后，有39篇文献留下并被分析。基于这些文献，所有有关PSS资源的术语按照文献的成熟度进行排名，在选择成熟度高的文献术语后，再将具有类似含义的术语进行合并，最终提出以树状结构表达的PSS成本要素的资源清单，如图3所示。为了更好地理解和分类，本文提出人力资源、物质资源与非物质资源等3大资源类别。

图3 PSS成本要素的资源清单

2.2 流程

PSS配置方案是一个结合有形产品和无形服务的集成系统，并且在整个生命周期内对客户价值进行优化［13］。因此，跟踪流程中各活动的成本十分重要，因为许多流程发生在未来时间（例如，由于突发故障的计划外维修，容量需求变化而做的修改等）［14］。然而，目前大量的工作仍然围绕在产品制造阶段，缺乏从更广泛的生命周期角度的研究［15］。从更广泛的生命周期的角度来看，资源不仅通过生产、使用和处置核心产品被消耗，也为相关服务的发展和提供所消耗。与2.1节的分析方法类似，本文提出PSS成本要素的流程清单，如图4所示。为了更好地分类和表达，本文提出3 个不同阶段，即获取、运行和终止。基于该清单，更详细的流程、活动可以在特定情况下予以具体化。

2.3 PSS实体

为了有效满足日益多样化的客户需求，大规模产品定制的理论和方法已被应用于服务，如服务族［16］、服务模块［17］、服务平台［18］等。这些研究论证了一个观点，即服务也可以具有基于组件的结构［19］。因此，本文提出了一种基于组件的PSS 结构，可配置的PSS由各种PSS实体组成，主要包括产品组件和服务模块。其中，产品组件可以基于大规模定制理论，以GBOM 的形式［20］进行建模。产品组件形式的PSS实体可以在不同层次，并且由不同参数的选择而确定。

图4 PSS成本要素的流程清单

以服务模块形式的PSS 实体则作为构建块来支持服务组合，这意味着一个服务模块可以由其他模块组成。服务模块也可以是另一个模块的子类，即2个服务模块之间形成父子关系。PSS服务模块之间的关联主要分为组成和子类两种。因此，PSS中的服务模块也可以采用与产品组件相似的建模方式。本文以图5 的形式表示PSS 成本要素中的PSS实体清单，其中虚线反映了产品组件和服务模块之间的相互作用，这使得PSS作为一个整体向客户提供使用价值。

图5 PSS成本要素的PSS实体清单

3 基于比较的成本分析和决策方法

PSS配置中的成本评估主要目的在于进行配置方案的比较和决策，而不是对绝对成本的准确估算。因此，本文采用了简化的成本分析方法，仅比较和分析造成可行配置解之间差异的成本要素，进而完成对多个配置解的选择和决策。

本文提出了PSS成本评价指标（EI）。EI计算值不代表实际成本，只用于支持比较与决策。较高EI表示评价对象具有较高的成本。EI可以用于成本要素，也可以用于配置方案，而方案的成本就是由各个成本要素构成的。本文提出的成本评估方法的主要原理在于，比较和评价PSS配置阶段中各个可行配置方案的不同成本要素，由此判断各方案之间的成本高低。下面给出EI计算以及对可行配置方案进行决策的步骤，如图6所示。

图6 成本分析方法的步骤图

（1）识别不同的PSS实体。由于本方法是基于比较的，故首先从可行目录｛Sx，x=1，2，…，n｝中挑出2个配置方案S1、S2。根据PSS成本要素的定义，成本要素首先与PSS实体关联。因此，基于2.3节提出的实体清单来识别不同的PSS实体，进而识别不同的成本要素。最终，一组具有不同PSS实体的成本元素

被确认并进一步分析。

（2）确定流程项目和相应的流程驱动要素。对于在（1）中确认的每一个PSS实体k，其构成成本要素CE x（i，j，k）的流程i被确定，相应的成本驱动要素也要被确认。

（3）确定资源项目和相应的资源驱动要素。对于在（2）中确认的每一个流程i，其构成成本要素CE x（i，j，k）的资源j被确定，相应的成本驱动要素也得到确认。由于本方法以比较作为理论基础，故对于在同一流程，可以只对使用不同资源的部分进行识别，从而减少数据使用和不确定性。

（4）测量资源消耗和建立初始EI。通过（1）～（3）所确定的成本要素CE x（i，j，k），其初始EI可以在成本驱动要素、资源消耗量和资源单位成本的基础上进行计算。计算方法与作业成本法类似。故对于配置方案S1、S2，最初的EI1和EI2分别由所有CE1（i，j，k）与CE2（i，j，k）的EI求和而得。

（5）对不确定性建模及调整EI。PSS实现过程中，常常有一些不确定事件，如错误流程、组织的不确定性等。计算PSS成本不得不考虑这些不确定性［21］，因此，用范围值表征成本比用固定值更为现实［22］。本文利用不确定性CAPTOE来源对不确定性进行建模，并且添加范围±Δ到初始EI。限于篇幅，关于CAPTOE 不确定性处理的细节可以参考文献［9］。最终，配置方案S1、S2的成本比较，可以通过经过更新的EI1和EI2的差异值（EI1±Δ1）-（EI2±Δ2）来反映。

（6）确定和排序所有的EI x。重复（1）～（5），对于可行目录｛Sx，x=1，2，…，n｝中所有配置方案，都应进行两两比较和评价。最终实现所有可行配置方案的排序。配置工程师将推荐选择EI值最低，即成本相对较低的配置解决方案。

4 案 例

为了验证本研究的可行性，一个泵产品服务系统被用来进行案例研究。该PSS 以高压泵为核心，并提供处理干净或轻微腐蚀性流体的相关服务。在化学、制药工业，食品、消防等多个行业有广泛的应用。通过配置活动，该PSS 具有多个变型参数，能够满足客户的定制需求。按照所提框架的准备阶段要求，首先建立基于3个维度的成本要素中的PPS实体清单。该清单的部分内容如图7所示。

图7 PSS实体清单

对于某一次配置活动，配置器会给出满足相应客户价值的4个配置解决方案。配置工程师则需要从这4个配置方案中选择最好的一个。而成本是其中一个重要的评价标准。遵循所提框架在评估阶段的分析方法，首先要确定配置解决方案中用于比较的不同PSS实体，如表1所示。

为了说明如何对这些解决方案进行排序，以及如何计算EI，本文以方案1、2为例，因为它们在可行目录中具有最显著的差别。成本要素

表1 各方案中的差异PSS实体

其中，泵外壳、维修服务和备件物流服务分别为实体k。对于每一个CE，进一步确定和分析相应的流程i和资源j。如表2所示，有3个流程，2个资源支持泵实体的实现。零部件资源是这些成本要素中唯一的不同项目。因此，CE1（i，j，1）和CE2（i，j，2）的EI可以被确定，并基于零部件的资源消耗量和资源单位成本进行计算。

表2 CE1（i，j，1）和CE2（i j，2）的计算

如表3所示，有4个流程，3个资源支持维修服务的实现。而2个实体的区别（替换战略，最小维修策略）在于零部件资源。因此，它们的EI是由资源消耗的估计而设定。然而，不同的维修策略导致不同的估计维修时间，这会影响资源消耗。

表3 CE1（i，j，2）和CE2（i，j，2）的计算

预估修理时间计算如下：在失效策略下，如果N（t）是随时间变化的故障总数，则预期的故障数在区间（0，t）内的预估为

其中：MTBF是平均故障间隔时间，使用两参数韦伯分布模型对泵的寿命进行建模；η为尺度参数；Γ为伽玛函数；β为形状参数。

在故障策略情况下，如果N（t）是随时间变化的故障总数，则在区间（0，t）内，预期的故障数

如表4所示，不同的流程支持备件物流服务的实现。因此，CE1（i，j，3）和CE2（i，j，3）的EI是在相应的资源消耗的基础上进行计算的。得到初始EI后，通过使用CAPTO，确认不确定性范围，并更新EI，如表5所示。

表4 CE1（i，j，3）和CE2（i，j，3）的计算

表5 不确定性下的EI 更新

S1和S2之间的比较用来说明，这表明，S1具有更高的成本。对可行目录中的4个方案进行两两比较，经过6次比较得到表6中的比较列表，可见解决方案4的成本相对最低。

表6 比较列表

5 结语

由于日益复杂的客户需求，配置系统被越来越多地用于作为一种有效设计定制产品服务系统的手段。因为配置问题往往是弱约束，会产生多个可行配置解，所以，为了辅助配置问题的决策而进行成本评估非常重要。然而，学术界目前对该问题的研究还相当有限。本文提出了PSS配置中的成本评估框架，为进行可行PSS配置解决方案的决策提供了一套成本分析方法。值得注意的是，本文讨论的成本评估是在PSS配置评价阶段，这意味着PSS已经是成熟设计并且设计信息的可用性也较高。此外，要实现配置活动，平台设计或族设计往往会被采用。这使得各配置方案之间结构相似但在一些设计参数上会有不同的选择。因而，需要评估和比较的成本要素的数量是有限的，相应的分析和计算工作量是可以承受的。

本文提出的框架也有助于企业中配置工程师的工作。首先，它可以成为工程师组织配置活动的管理指导。并且，本文提出的评估框架是通用的，可以应用于各种类型的PSS；其次，准备阶段中建立的流程与资源清单可以作为知识库，指导特定PSS中的实例化；最后，分析和决策方法本身可以作为一个决策工具，成为已有PSS配置器的有效补充。

本文目前对不确定因素的处理还需要专家的主观评价，将来的研究将引入仿真等方法以进一步改进对不确定因素的处理。