基于数据质量的大规模定制仿真实验室质量管理系统设计

陈思雨， 樊树海， 张文倩， 熊佳玮

(南京工业大学 工业工程系， 南京 210009)

0 引 言

随着市场竞争的日益加剧，客户对于多品种小批量产品的追求迫使生产企业改变传统生产模式，大规模定制生产模式应运而生。大规模定制生产的提出是为了满足当前市场对产品多样化的需求，其主要目的是以大规模生产的时间和成本，去实现对客户个性化的定制要求[1]。

著名质量管理大师朱兰曾有一句至理名言： 质量是一种实用性，即产品在使用期间能满足使用者的要求。在新工业革命浪潮的席卷下，我国正在努力向一个质量强国发展，产品，服务的质量好坏关系到国家整体经济的进步，因此，质量管理在企业中意义重大。

在大规模定制系统中，企业不仅需要与客户建立快速有效的沟通渠道，准确的获取客户的需求，及时的根据需求对产品进行设计，并调整富有柔性的生产流程，以接近大规模生产的成本制造产品，还需要高度配合的供应链体系和强大的信息技术的支持。所以，在这种情况下，大规模定制的质量管理往往从与顾客进行沟通的那一刻起就开始进行，传统生产下的质量管理系统显然无法满足要求，适用于大规模定制模式的质量管理系统急需建立。

而为了使学生更好地了解大规模定制生产方式，更多的学校建立了大规模定制生产模式仿真实验室，但考虑到大规模定制生产方式的特殊性以及对于该种生产方式的充分还原，实验室的质量管理系统的建立也是一个亟待解决的困难。大规模定制生产仿真实验室的根本目的即为完美的模拟整个大规模定制生产过程，因此，整个实验室的设计标准应以大规模定制生产为主要参照。

当前许多研究将重点放在了大规模定制下不同方面的质量控制，如在质量管理中用到的工具或方法，大规模定制下多元质量管理技术等。本文将结合大规模定制对于质量管理的特殊要求，利用公理化设计方法，从整体的角度建立一个适用于大规模定制的质量管理系统。

1 大规模定制生产下的质量管理

ISO9000对于质量管理有着标准定义：质量管理是指全部管理职能的一个方面。该管理职能负责质量方针的制定与实施。

在传统生产模式中，质量管理侧重于对某些产品技术指标符合度的控制，管理重点往往是生产现场质量管理[2-4]，监控手段通常是检验系统，控制图等，该类质量管理局限在一个较窄的范围内进行，在传统生产中尚且可以勉强完成质量控制，却无法在大规模定制生产模式中发挥质量控制作用。

大规模定制生产的进行是基于产品的可分解性以及各模块间的易连接性的[5-7]，而大规模定制生产为了满足客户对于设计，制造，运输的个性要求，这样的产品通常是以单件的形式出现，一旦出现质量误差，该产品必然成为不能抵消的库存，生产损失将无法挽回。因此质量管理的要求要比传统生产条件下严格的多。

面向大规模定制的质量管理体系主要有以下几个特征：

(1) 以顾客最大满意度为追求。企业的产品能否被顾客承认，接受，取决于顾客对于产品质量以及服务的满意程度，而大规模定制企业是以顾客为导向的企业[8]，所以，面向大规模定制的质量管理体系必然将以顾客的满意度为最大的追求。

(2) 以设计质量为中心。大规模定制模式以客户的要求为中心，所以质量管理的源头便是对客户需求的获取，在产品设计上就开始保证质量可以帮助降低整个生产过程中质量问题可能带来的损失，为客户创造最大的价值。

(3) 注重过程方法。大规模定制追求的是过程效率而并非生产效率，故大规模定制企业应建立完善的质量管理系统，形成系统化的质量管理体系，通过持续改进提高每个过程的质量水平。

(4) 重视信息质量的管理。大规模定制企业主要以敏捷生产为主要生产模式，且面向顾客的个性化需求，其生产体系需要经常切换来满足不同的生产需要，因而，大规模定制模式可以称为一个少数据，贫信息的生产过程，在生产初期，缺乏历史数据，质量控制体系如何快速准确获取相似数据或是线上模拟数据以及对客户信息的准确获取和各阶段间数据的传递是整个质量管理系统中的一个关键。

2 公理设计方法

公理化设计是由美国麻省理工学院Nam Pyo Suh教授以及他的同事在20世纪90年代正式提出的[9]，公理化设计框架中主要包含：域的概念、“Z”字形映射的概念、层次结构的概念以及设计公理的概念，域的概念之间的映射关系如图1所示。

图1 公理化设计域的概念

用户域是根据用户对产品的需求来描述的，即用户需求的产品属性(Customer Attributes, CAs)；功能域是根据用户需求而确定的产品功能要求(Functional Requirements, FRs)；结构域是为满足功能要求而决定的设计参数(Design Parameters, DPs)；工艺域是根据结构域的设计参数而制定的工艺过程变量(Process Variables, PVs)[10-12]。

在相邻的两个域中，左边的域相对右边的域表示“要达到什么目标”，而右边的域相对左边的域则表示“建议采用什么策略去满足左边的域规定的要求”，左边的域和右边的域之间需要通过映射矩阵建立关系才能够详细的了解右边的域能否真正满足左边的域规定的要求，从功能域到结构域，再到工艺域之间的映射、分解过程构成了公理化设计的整个过程。在公理化设计的映射过程中，必须采用两条基本的设计公理来评价系统设计方案的优劣，才能够做出正确的系统设计决策，这两条基本公理分别是：

第1公理独立公理[13]，必须保持系统功能需求的独立性，独立公理要求每个功能需求都应对应一个设计参数，并且不受其他设计参数的影响，如果两个或两个以上的功能需求相关，那么应该采用一个相当的功能需求进行替代。

第2公理信息公理[14]，力求使设计的信息含量最小，在符合功能独立性要求的前提下，信息量最小的设计才是最好的设计。

3 大规模定制质量管理系统的公理化设计分解

3.1 第1级分解

此次公理化设计的最高目标即为：FR0=提高大规模定制下质量管理的效率，要实现这个目标，必须采取的相应策略是：DP0=建立大规模定制质量管理体系。大规模定制的过程和方法主要有以下几种：

(1) 供应链环节。对于供应链的质量管理，应该出现在供应链上的各个环节，包括对于合作伙伴的质量管理。同时，面向供应链的质量管理体系应在合作伙伴之间达成质量保证体系，质量监督改进措施，过程能力等方面的协调性一致。

(2) 敏捷制造过程。在大规模定制生产中，企业面对的是顾客千变万化的需求，企业必须以最快的速度调整生产流程对客户的需求做出反应，这就要求大规模定制生产过程采用敏捷制造的概念。

(3) 客户驱动的设计和制造，则是大规模定制的核心。大规模定制企业要在市场的总体趋势下尽力满足顾客的个性化需求，根据客户的不同要求更改设计生产过程的定制水平，而质量管理的强度和方法也随着定制水平的差别而不同。

因此，FR0能够分解成：

FR1=提高客户驱动设计阶段质量管理效率；

FR2=提高大规模定制生产质量管理效率；

FR3=提高供应链过程质量管理效率。

实现上面3个目标采取的相应策略是：

DP1=改进设计阶段质量管理工具；

DP2=建立敏捷制造过程质量管理体系；

DP3=制定供应链质量管理系统。

由于FR1、FR2、FR3均可以分别由DP1、DP2、DP3独立完成，因此，此设计属于非耦合设计，设计矩阵为对角矩阵，其设计方程是：

3.2 第2级分解

(1) 面向客户满意的设计是大规模定制的核心环节之一，而客户驱动设计的质量管理的关键则是建立面向质量的设计模块。面向质量的设计要求把一系列的质量保证方式与设计系统完美结合，在产品和过程的设计阶段就开始实施质量管理。而实现从源头开始的质量管理目标就要建立相应的产品与过程模型的信息，交换模型。

FR1能够分解成:

FR11=完善大规模定制设计系统；

FR12=完善设计评价模块。

实现上面2个目标采用的相关策略是：

DP11=建立面向客户满意度的设计管理系统；

DP12=建立设计评价管理系统。

可得设计方程如下：

(2) 大规模定制中的主要生产模式即敏捷制造，敏捷制造要求企业能够根据客户变化的需求及时改变生产能力，即通过重新规划生产过程，重组生产资源来满足客户的定制化需求。面向敏捷制造的质量管理系统要求企业生产环境发生变化时，能迅速对制造阶段的质量控制体系进行调整，快速准确地收集质量控制信息，构建新的质量控制系统。另一方面，大规模定制企业采用敏捷制造，其目的是增加速度而不提高成本，但制造阶段现有的基于控制图的质量管理的正常施行是以充足的数据为支撑的，由于敏捷制造需要不断更换生产条件，在生产初期将缺少足够的历史数据或相似产品数据，从而造成了大规模定制生产下质量管理的瓶颈，即少数据，贫信息，碎经验，用于质量分析的信息质量缺乏保证，传统的质量管理将无法正常的开展。因此，在敏捷制造过程中的质量管理应充分利用在线质量控制技术，以及各阶段间的数据即时交互技术，但同时要控制新型质量管理技术的成本。

FR2能够分解成：

FR21=提高生产过程中质量管理的反应速度；

FR22=提高生产管理系统的信息质量；

FR23=提高生产控制管理水平。

实现上面3个目标采用的相关策略是：

DP21=建立质量管理快速切换机制；

DP22=完善质量数据获取模块；

DP23=建立质量技术和工具的纵向集成。

可得设计方程如下：

(3) 供应链质量管理系统目的是提高整个供应链环节的质量，包括对每个环节的质量控制，以及对于与大规模定制企业合作的销售，供应商等合作伙伴的质量管理。

FR3能够分解成：

FR31=提高供应链中各环节质量管理水平；

FR32=提高企业间的质量管理合作水平。

实现上面2个目标采用的相关策略是：

DP31=为供应链中各环节建立质量管理模块；

DP32=在企业间建立一致的质量管理体系。

可得设计方程如下：

3.3 第3级分解

(1) 对于大规模定制下产品设计的质量管理，要充分考虑产品设计过程的阶段性和渐进性。在产品设计初期，质量管理的主要手段包括产品设计质量规划，以及对于输入输出的设计信息质量控制；在设计中期，产品质量跟踪以及产品质量缺陷分析预测技术则成为主要的质量管理手段。大规模定制设计系统中的重要环节便是快速响应客户的需求。而产品的设计开发阶段则是快速响应客户订单的关键。在整个管理系统中，客户需求信息的获取，管理与分析技术最为关键，在传统产品设计过程中，信息及各领域产品开发人员与客户的交流严重不足，大大制约了产品设计的效率，在大规模定制设计开发系统中，必将更加重视客户需求的实现，因此，客户需求信息质量的控制是整个大规模定制设计质量管理系统中的重要环节。

FR11能够分解成：

FR111=提高以设计质量为中心的大规模定制设计水平；

FR112=提高企业获取客户定制信息的效率。

实现上面2个目标采用的相关策略是：

DP111=采用以设计质量为中心的设计方式；

DP112=建立以信息质量为中心的设计体系。

可得设计方程如下：

(2) 大规模定制设计系统的质量管理中，设计评价模块是不可或缺的部分。目前主流的大规模定制企业质量管理思想便是提高设计质量从根源上保证产品质量，因此在产品设计方案投入生产之前，设计评价模块应起到对产品质量问题的预判与预防作用。在设计评价体系中，主要评价点包括产品设计方案的可靠性以及对于设计方案配置的初步筛选组合。

失效模式及后果分析是一种从设计上防患于未然的方法，在设计过程中对产品可能存在的失效模式及其对用户可能造成的影响进行分析，及时对设计进行改进，增强设计可靠性，从源头杜绝质量问题。

大规模定制产品设计的初衷是满足客户的需求，属于反应式的设计，在设计评价阶段需要从多种满足客户需求的产品配置方案中初步筛选高质量，低成本的最佳方案。田口方法以提高产品的质量特性为目的，以统计的方式定量的分析多种参数组合与质量特性的关系，从而得到最佳参数组合，在保证质量的前提下防止“质量过剩”。综上，FR12能够分解成：

FR121=完善在产品设计阶段质量可靠性的判别；

FR122=完善设计方案的质量筛选体系。

实现上面2个目标采用的相关策略是：

DP121=采用失效模式及后果分析(FEMA)；

DP122=采用田口设计方法。

可得设计方程如下：

3.4 第4级分解

(1) 大规模定制下设计方法大多在现有的设计方法上发展而来，但较传统生产方式，更重视设计质量，具体包括面向产品簇的设计，模块化设计方法的应用，零件的标准化与模块化，以及后延设计方式。

FR111能够分解成：

FR1111=采用面向产品簇的设计方式；

FR1112=加强模块化设计的应用；

FR1113=建立零件标准化与规范化；

FR1114=采用后延设计。

实现上面4个目标采用的相关策略是：

DP1111=做好产品生产周期规划；

DP1112=做好质量管理成本控制；

DP1113=提高定制设计的效率和质量；

DP1114=提高订单处理效率。

可得设计方程如下：

(2)FR112能够分解成：

FR1121=改进大规模定制质量管理工具；

FR1122=提高质量管理工具间的信息传递效率；

FR1123=提高质量管理信息的搜集效率。

实现上面4个目标采用的相关策略是：

DP1121=开发与客户定制信息相连的QFD工具；

DP1122=运用信息技术，完善质量管理工具间的数据交互体系；

DP1123=加强在线质量模拟技术的应用。

可得设计方程如下：

在上述过程中的设计矩阵都是上三角矩阵或者对角矩阵，设计都属于准耦合设计或者非耦合设计，满足独立公理，因而是合理的设计。表1所示为公理化设计的总功能结构表。

表1 功能结构表(FR0=提高大规模定制下质量管理的效率)

4 结 语

大规模定制是现行的较为主流的生产模式，也将会是未来的发展重点，而质量因素也将在整个制造业扮演重要的角色，不同于传统生产模式，大规模定制的质量管理系统需要具有以满足顾客需求为最大追求，以设计质量为中心，注重过程控制等特点，因此，在建立大规模定制仿真实验室的质量管理体系时，应区别于传统方式。本文在前人研究基础上，利用公理化设计方法，完成了面向大规模定制仿真实验室的质量管理体系的构建与部分具体分解，为该类型实验室的质量管理系统的完善提供一种思路。