工业产品服务系统需求模型构建研究

赵馨智ZHAO Xin-zhi（天津大学 管理与经济学部，天津 300072）

人工智能

工业产品服务系统需求模型构建研究

赵馨智
ZHAO Xin-zhi
（天津大学 管理与经济学部，天津 300072）

工业产品服务系统是制造服务化趋势下出现的新的价值交付模式。工业产品服务系统由于其复杂结构、行为和多主体参与的特点，其需求也具有复杂多变的特点。传统的需求开发方法无法保证需求分析的完整性与一致性。基于场景分析方法，面向同一个应用场景，来引导需求者、设计者和服务提供者对整个系统交付过程和结果进行评估和需求识别。建立了不同视角下的需求要素模型，并通过不同视角之间的需求要素映射关系，建立需求集成分析过程模型，从而构建了完整的工业产品服务系统需求模型，能够用于工业产品服务系统的需求识别和快速设计。

工业产品服务系统；需求模型；场景

0　引言

工业产品服务系统是制造服务化趋势下出现的新的价值交付模式。工业产品服务系统以工业产品和生命周期服务为终端交付、以B2B为主要商业环境，以多参与者构成支撑网络和组织结构为主体，满足工业品客户全生命周期个性化需求为目标的价值交付模式［1］。随着客户中心化和个性化定制的不断发展，需求识别与分析对于客户满意和交付成功与否起到了越来越大的影响。如何从需求的视角解构工业产品服务系统，成为工业产品服务系统设计过程的首要环节。

工业产品服务系统由于其复杂结构、行为和多主体参与的特点，其需求也具有复杂多变的特点。工业产品服务系统构成要素及其复杂，包括了对用户直接相关的产品需求、产品服务需求，还包括交付过程中的各类专业化服务需求、设计服务、制造服务需求，以及内部客户对交付网络节点之间的协同服务需求，需求要素多样且复杂。工业产品服务系统的一个显著特征是用户参与产品及服务设计，伴随用户、设计者和交付供应商的参与和交互，在设计和交付过程中，内外部用户对工业产品服务系统的需求理解不断深入和具体化，对开始模糊的需求有了新的认识，往往会发现新的需求，或者产生需求变更，因此存在需求多变的情况。面向工业产品服务系统复杂的需求特性，需要规范化的需求开发方法和程序，进行完整的工业产品服务系统需求建模和分析，从而提高需求的准确性和需求转化的可控性。

1　当前研究评述

目前对“需求”还没有一个全面的、能够达成共识的定义。文献［2］认为，需求是系统或体系为解决问题或完成目标所必须满足的条件或能力，具体包括功能、性能需求、技术、设计、业务约束等。文献［3］认为需求实际上是一个对用户意图不断进行解释和判断的过程，目的在于细化产品的作用范围，确定功能和性能、约束、环境等。需求是问题信息和系统行为、特征、设计和制造约束的描述的集合。不同的角度有不同的需求，从用户角度，需求是从系统外部发现系统所具有的满足用户的特点、功能和属性。从开发者角度，需求是指明必须实现什么的规格说明，描述系统的行为、特性和属性，是在开发过程中对系统的约束。

本文认为，完整的系统需求是从不同的领域和视角，定义系统的外部环境、目标和内部特征，界定系统所应具备的功能、行为、能力和约束，并表征不同的特征之间的相互关联。

当前针对产品服务系统需求模型构建的研究较少，文献［4］综合了产品需求分析方法、软件工程方法等相关方法的基础上，提出了针对产品服务系统的需求工程的框架，但未能提出具体的需求建模方法。而对于需求建模方法的研究，则主要集中于面向产品的需求分析，重点围绕产品需求获取［5］、需求优先度［6］和需求权重确定［7，8］等；也有专门针对服务系统的需求模型构建的研究［9］。而对于产品服务系统的需求分析，主要集中对产品服务包的客户需求获取和需求优先度的研究［10，11］，而未能注意到整个产品服务过程需求和能力需求。工业产品服务系统的需求模型，应该涵盖从交付需求到过程需求和能力需求的完整维度，面向不同的场景进行需求分析，而不能仅限于产品服务包的需求。因此，本文基于iPS2完整的应用场景，分析不同场景下的需求类型和需求内容，从交付需求、过程需求、架构需求的角度，构建iPS2完整的需求模型。

2　基于场景的iPS2需求分析

2.1场景视角下多视角需求结构模型

传统建立在访谈法、问答法、调研法基础上的需求提问技术难以保证多用户、多领域人员的个性需求表达一致性，需要采用新的方法来实现完整需求的获取。

iPS2场景对iPS2的系统要素的使用特征进行系统描述和实例化描述，是对iPS2的整体行为及其环境特性的描述和界定。场景描述的是客户使用iPS2完成任务过程、过程中交互行为以及应用环境的具体特征。由于场景是对iPS2整体结构和环境的现实表达，用户和相关方在同一个应用环境中，具有统一的背景，因此相较于传统方法，提供了一个统一的知识环境，能够支持所有的相关方的需求描述能够更加直观和完整，建立的需求特征模型也能够更加真实和完整。因此，基于场景分析能够保证需求获取的完整性和一致性。

对需求的获取，不能够仅仅停留在复制用户的主观期望，而应该是按需服务拉动与主动服务推动的结合。要在基于客户需求满足的基础上，结合iPS2本身的战略目标定位，建立供需双边的共赢目标。理想的服务需求特征结构，要对需求端和供给端双边的服务任务、服务要素和服务需求进行综合的分析和表达，从而能够真实、完整、有效、深层次的构建iPS2的需求结构。

在一个完整的服务提供的交互场景中，同样一组服务行为，涉及到服务需求求者、服务提供者、服务匹配者三个角色，三者从不同的维度对iPS2的服务交互任务有不同的理解和认知。在一个共同的场景下，立足于不同的服务参与者，采用不同的视角来挖掘不同类型的需求，并解构出各类需求之间的联系，以多视角互补来弥补单一角色需求表达的单一性，能够最大程度的深化服务场景任务需求的表达。多视角多维度对任务需求进行识别，就要求不同的相关者从各自角度出发，映射出不同维度的需求认知，进而通过多视角集成来确定iPS2的完整需求内容。如图1所示是iPS2多视角需求结构模型。

图1　iPS2多视角需求结构模型

服务需求者视角从需求方应用角度出发，侧重关注iPS2的功能交付特征，从这个视角上来定义iPS2应具备何种交付功能。服务需求者视角所定义的需求，定义了iPS2中产品与服务连续体应用场景的基本需求特征。

服务设计者视角从iPS2的系统设计和需求/供给匹配的角度出发，关注iPS2的功能结构、过程能力、资源配置，通过产品服务交付过程网络的设计，来实现需求响应以及供需平衡的匹配，尤其是供给过程中的能力需求的分析。

服务提供者视角从服务实现的角度出发，关注供应网络的资源结构和服务交付规则和体系架构。

不同领域的人员从不同视角关注iPS2的系统需求，针对不同的需求维度，选择相应的研究模式，突出不同的需求内容，并根据需求的主题进行划分。三个维度不是孤立的，分别从交付价值、系统机制和服务资源考虑，并且是存在相互关联。三个视角分别定义了iPS2的一个维度的需求内容，三个维度视角的集成，能够构建出完整的iPS2需求模型。

2.2iPS2需求模型构建

2.2.1单维度需求要素

对应于三个维度视角，iPS2的需求包括应用场景功能要求、过程能力需求和资源体系架构要求。应用场景视图要求从服务需求者对iPS2的应用场景中各种交互任务的视角，对工业产品服务系统的应用功能提出了要求，从而定义了iPS2的交付目标。能力需求视图则从服务设计者的视角，对工业产品服务系统所应具备的对外交付能力和为了保证交付而应具有的过程实现能力提出了设计需求。而体系架构视图则是从服务提供者的系统架构和组织形态视角，定义了应该构建什么样的能力载体和能力运作规则，来实现能力组合，来满足最终的应用功能需求。

1）应用场景需求要素

复杂工业产品的物理实体、产品应用技术服务、现场服务融汇成一个基本场景，客户、最终操作者、服务人员、服务提供商等相关者在同一个环境中，与iPS2本体及其外部环境进行交互。应用场景定义了iPS2的技术性能要求、客户投资目的、运行使用成本、实际服务要求，同时通过环境分析和场景设计，来定义iPS2的使用者、提供者、使用时间、使用地点、产品及服务形式等基本要素。通过对应用场景的规划和设计，能够定义iPS2的功能要求，进而确定设计边界。

通过对场景构成要素的分解，根据需求知识性质的不同，对场景交互中产生的不同需求进行分类。如图2所示，功能场景的需求可以划分使命要求、目标要求以及功能要求。

（1）使命要求包含了iPS2的外部用户的价值期望、功能期望；以及内部对iPS2的战略定位和盈利模式要求。通过内外部要求的合并，从而界定iPS2所力求实现的使命。同时，使命要求也定义了iPS2的设计要求和设计冲突的解决原则。当后期设计和运行发生冲突问题时，可以根据使命要求来排定问题和对策的优先级别。

（2）目标要求主要是在iPS2使命的基础上，进一步精确化，界定iPS2的价值目标和客户关系目标。

（3）功能要求包括产品需求、服务需求和商务需求。

产品需求是关于装备的物理实体的功能要求集合，包括应用工况、技术性能要求、产品实现功能、可靠性要求等各类标准化和个性化的功能要求。

服务需求是围绕产品的服务过程和服务结果的功能要求集合，包括服务标准、服务内容、服务流程等各类标准化和个性化的功能要求。

商务需求是围绕产品和服务交付过程中的涉及到交付条件、专业服务（法律、金融）等为促进产品服务系统转移交付的各类标准化和个性化的功能要求。

三类需求的综合，界定了iPS2的基本功能需求框架。

2）能力需求要素

能力需求视图则从服务设计实现的视角分析了iPS2的设计要求。从需求内容上，如图3所示，定义了iPS2面向需求侧的交付能力，以及供给侧的过程能力。

（1）交付能力主要是“产品+服务”集成方案的设计要求。即产品、服务以及产品服务组合的设计要求。交付能力要求是从需求者视角的功能要求转化而来，需求分析的产物不是客户角度的功能，而是设计者角度的设计实现的具体需求。

（2）过程能力主要是产品服务过程网络的设计要求。是为了分析能够交付设计产品和服务，所需要的供给平台和供给网络的设计特性。也就是说，为了能够对外交付产品和服务，需要设计何种过程活动、配置何种资源、由何种角色来执行。过程能力的需求来自于交付能力要求与当前供给资源之间的匹配分析。

3）体系架构需求要素

体系视图从服务提供者的角度来定义iPS2的组织设计要求。如图4所示，提出对iPS2的组织结构、组织形态和运行规则的要求。

图2　功能场景视图的需求要素属性

图3　能力视图下的需求要素

图4　架构视图下的需求要素

图5　需求要素关系模型

2.2.2需求要素关系分析

三种需求视图分别建立在不同的相关者视角上，能够反映对应的相关者的需求和愿望，形成对iPS2需求模型的某一视角需求信息的描述。三种需求视图之间存在关联映射关系，如图5所示，应用场景视图是能力需求和体系架构需求的基础，只有明确了iPS2需要应用的最终使用环境和任务目标，才能够考虑需要如何获取能力资源来实现的问题。能力需求视图是设计需求的核心，只有规范的能力要求被清晰的定义，才能够明确具体的设计任务，从而定义设计的范围。体系架构需求视图则是能力需求视图的形式化载体，通过将能力视图中对内外能力的功能指标转化为系统架构，才能够更加直观的体现能力之间的关系，从而进一步深化能力需求。

2.2.3基于关系模型的需求分析过程

图6　需求分析过程

三个视图之间实际上也是整个iPS2需求逐级映射演化过程，三个视图的不同需求分析过程之间，具有相应的分解和映射关系。基于需求要素的关联关系，如图6所示，可以建立需求分析过程模型。

iPS2的基本逻辑是面向客户的拉动服务逻辑。因此，需求分析首先从服务功能场景分析开始，通过获取客户对系统应用功能的期望，定义iPS2的使命、目标，建立完整的应用场景。并通过对场景中交互行为的分解，提取iPS2的应用任务，从而明确iPS2的功能需求。

通过用户的功能需求与产品服务设计要求之间的映射关系，建立需求者视图与设计者视图之间的关系。从功能需求转化为具体的产品和服务的设计要求特性。进而通过结果与过程的映射关系，建立交付过程的能力要求结构。

通过对交付过程中的活动、资源和角色要求的特征提取，建立过程模型与组织结构和系统规则之间的映射关系，从服务提供者的角度，提出iPS2应具备的组织形态和运作机制。并进而反馈到需求者和设计者，通过反复迭代，最终形成满意的iPS2的需求结构。

2.2.4需求模型构建

不同视图下对iPS2的需求内容不同，根据不同视图下的需求建立需求内容模型，然后根据需求要素关系建立不同视图下的需求结构模型，用于不同的iPS2设计目的，是iPS2需求模型构建的基本方法。根据功能场景分析，建立功能服务需求清单（Bill of Service oriented to Function，FBOS）；根据能力要求，建立过程服务需求清单（Bill of Service oriented to Process，PBOS）；根据体系架构分析，建立服务组织需求清单（Bill of Service oriented to Organization，OBOS）。

FBOS用于“产品+服务”解决方案的设计任务输入。PBOS和OBOS用于产品服务过程网络的设计任务输入。“FBOS-PBOS-OBOS”的映射转化过程中，包含了iPS2运作机制的应用。

1）FBOS

FBOS以物料名或服务名称表征功能需求，每一个节点具有各自的功能属性要求。根据结构关系，构成如图7所示的FBOS。

图7　FBOS

FBOS可以形式化定义为四元组：

其中P表示产品模块集；S表示产品服务模块集；R表示产品模块与服务模块的结构关系集；Q表示模块之间的数量关系集。

进一步：

其中，Pc表示产品构成的零部件；Rp表示零部件之间的构成关系，Qp表示零部件之间的数量关系。

其中，Sc表示产品服务组件，Rs表示服务之间的交互关系，Qs表示所需的服务组件需求量。

2）PBOS

根据功能实现所需的活动和资源，对FBOS进行服务对应、拆分和组合，按照时序关系到向分解，构建过程服务需求清单，如图8所示。

PBOS中以服务名表示服务需求，每一节点涵盖了服务实现所需的活动、资源，根据实际所需建立。

PBOS可以形式化定义为：

其中Ps表示制造服务模块集；Sp表示产品服务模块集；Rps表示制造服务模块与产品服务模块的结构关系集；QPS表示制造服务模块与产品服务模块之间的数量关系集；RA表示制造服务之间的关系集；QA表示制造服务之间的数量关系；CA表示制造服务的服务成本；TA表示制造服务的服务周期。

3）OBOS

根据PBOS服务所需的活动-角色的对应关系，建立OBOS，如图9所示。不同节点之间的联线不是上下关系，而是业务交付关系。

OBOS可以形式化定义为二元组：

图8　PBOS

其中，O表示角色对象，R表示角色关系。

2.2.5需求模型的应用

通过“FBOS-PBOS-OBOS”的构建和映射转化，iPS2的相关者能够在同一的语义信息下获得不同视角下的完整的需求信息，需求者、设计者和服务提供者能够围绕一致的需求信息进行沟通，不同的相关者也可以在相应的视图下开展相应的需求分析和设计。同时集成的需求模型也为并快速复用提供了可能，通过对“FBOSPBOS-OBOS”模型语义的相似性推理，能够快速的匹配相似案例，为iPS2的系统设计提供快速应用实现。

图9　OBOS

3　结论

工业产品服务系统需求复杂多变，传统的需求分析方法无法保证需求获取的完整性和一致性。基于场景的方法通过分析iPS2的运行场景，根据应用场景特征来逐项分解iPS2的各种行为和目标，来引导客户、设计者和服务提供者对整个系统交付过程和结果进行评估和需求识别，能够引导并提炼出完整的系统信息。

本文从服务需求者-服务设计者-服务提供者视角对同一个应用场景进行需求识别，并建立需求要素模型，通过不同视角之间的映射关系，建立需求集成分析过程模型，从而构建了完整的工业产品服务系统需求模型。能够用于工业产品服务系统的需求识别和快速设计。

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Research on the construction of demand model of industrial product service system

C931；TH39

A

1009-0134（2016）06-0006-07

2016-03-16

科技部创新方法工作专项（2012IM040500，2013IM030100）；高等学校博士学科点专项科研（20120032110035）

赵馨智（1982 -），男，山东临清人，博士研究生，研究方向为工业产品服务系统、管理创新、现代工业工程理论与方法。