经济转型时期装备制造产业3DCE-NPD协同应用与实践

谭元发 ，殷英

（1.湖南信息学院商学院，湖南 长沙 430074；2.湖南电气职业技术学院，湖南 湘潭 411101）

《中国制造2025》指出：“全球产业竞争格局正在发生重大调整，我国在新一轮发展中面临巨大挑战。国际金融危机发生后，发达国家纷纷实施“再工业化”战略，重塑制造业竞争新优势，加速推进新一轮全球贸易投资新格局。”随着工业技术的进步，全球竞争的激化，信息技术，智能技术，消费者生活方式的变迁，装备制造企业正面临一个前所未有的变革时代。在世界竞争和经济周期下行的形势下，装备制造业发展的首要任务就是技术创新和新产品开发，改变传统的高碳、高能耗、经济增长的粗放型增长方式，向产品智能化、绿色化、数字化转变。

1 绿色设计、数字化设计、智能制造三维并行工程内涵

在装备制造业NPD过程中融入绿色设计、数字化设计、智能制造三维并行工程（3DCE），形成三维并行工程与新产品开发协同（3DCE-NPD）应用于产品设计、流程设计和供应链设计，一方面能实现装备制造业从制造到智造；二方面能实现产品的绿色环保；三方面能提高产品的核心竞争力。

绿色设计、数字化设计、智能制造三者相互促进，装备制造业将数字化设计和智能制造贯穿产品的生命周期为绿色设计提供了保障，数字设计是实现智能制造的基础，绿色设计为数字化设计和智能制造提出了更高的要求。

智能制造是将制造技术与数字技术、智能技术、网络技术集成应用于设计、生产、管理和服务的全生命周期，在制造过程中进行感知、分析、推理、决策与控制，实现产品需求动态响应，新产品迅速开发以及生产和供应链网络实时优化的制造活动总称[1]。

若装备制造业产品的价值为V，生产函数为V=f（x1，x2，…，xn），xi（i=1，2，…，n）为生产要素，Pi表示第i个种要素价格，环境绩效指数EPI。装备制造业的生产要解决两个问题：一是在一定的成本下，满足一定EPI，V达到最大；二是满足一定的EPI，达到一定的V，成本C达到最小。解决这两个问题的实质是一样的，都可以通过拉格朗日乘法解决如下规划问题。

智能制造能满足生产函数对能源和原材料的要求，降低能源消耗，降低原材料消耗，促进生产节能减排，目前，也只有智能制造和数字技术才能满足上述线性规划问题约束条件，实现目标函数，这是传统的生产技术和手段无法达到的。产品数字技术能优化生产，显著降低单位工业品能耗与物耗水平，大幅降低单位工业增加值污染排放，促进工业经济绿色与集约发展。智能制造显著提高生产效率，提升工业经济效益水平。

传统的并行工程CE侧重于产品设计、过程设计和制造过程，3DCE同时将绿色设计、数字化设计和智能制造设计应用于NPD，形成3DCE与NPD协同（3DCE-NPD）。产品绿色设计、数字化设计和智能制造在现代装备制造产业中已经是发展趋势，中国要从制造强国走向智造强国，绿色设计、数字化设计和智能制造是关键。《中国制造2025》指出：“坚持把可持续发展作为建设制造强国的重要着力点，加强节能环保技术、工艺、装备推广应用，全面推行清洁生产。发展循环经济，提高资源回收利用效率，构建绿色制造体系，走生态文明的发展道路。”产品绿色设计对装备制造业发展低碳经济至关重要。由于产品设计、流程设计和供应链设计是NPD价值链设计中的3个重要环节，在3DCE-NPD平台上整合产品设计、流程设计和供应链设计，形成装备制造经济增长新常态。3DCE每一要素或要素之间的关系如图1所示，EPI（Environmental Performance Index）表示环境绩效指数。

图1 三维并行工程

2 3DCE-NPD与产品设计、流程设计和供应链设计协同

2.1 3DCE-NPD与产品设计协同

制造业是国家或地区经济发展的重要支柱，而装备制造业是制造业的核心。装备制造业产品设计一般需要满足的功能要求有：加工精度方面的要求，强度、刚度和抗振性方面的要求，加工稳定性方面的要求，耐用性方面的要求，技术经济方面的要求。设计需要从柔性化、精密化、自动化、机电一体化、减量化等方面思考，符合工业工程和绿色工程要求。结合现代经济社会发展趋势进行创新设计、变形设计和组合设计。

在产品设计和新产品开发过程中，充分思考产品可靠性设计与绿色设计的协同关系，保障产品的可靠性、维修性、有效性、耐用性和安全性，同时注重产品的节能减耗、节省材料，充分应用装备制造循环经济的“3R 基本原则”（reduce，reuse，recycle）以及提升的“5R原则”（在 3R 基础上增加 remanufacturing，renovation）。在考虑产品可靠性的同时，还要研究产品的绿色设计，产品绿色设计将“减量化”放在首位，在满足产品可靠性的条件下，要达到使用材料最省，对环境污染最小，达到节能降耗减排的目的。因此产品设计是一个可靠性设计与绿色设计相相交叉的过程，如图2所示，该过程是一个不断反馈的过程[2]。

图2 可靠性设计增长与绿色设计交叉过程

装备制造业的绿色竞争力与环境保护既有联系又有区别，是指装备制造企业在保护环境的前提下，通过提升技术、改善经营模式等，高效利用资源能源，减少污染和浪费，既绿色又有竞争力[3]。按照国民经济统计口径，文中按照装备制造业所涵盖金属制品业、通用设备制造业、专用设备制造业、交通运输设备制造业、电气机械制造业、通信设备计算机及其电子设备制造业、仪器仪表及文化办公用机械制造业（简称装备制造业全口径），根据2011—2018年的中国统计年鉴，计算得出自2010年来，我国装备制造业的单位主营业务收入的能源消费量逐年下降，说明我国通过节能减排和去产能取得了初步成效，如图3所示（说明：由于缺乏2017年装备制造业的能源消费量数据，文中采用计量经济方法计算2017年预测数据）。装备制造业单位主营业务收入的能源消费量与国内生产总值（GDP）的单位总值能耗相比，其下降的速度相对较慢，单位GDP能源消费量以平均每年6.6%的速度下降，单位装备制造业主营业务收入的能源消费量以平均每年6.2%的速度下降，说明装备制造业产品绿色性还存在一定的差距。

图3 2010年来装备制造业能源消费量比较（中国统计年鉴2010—2018[4]）

2.2 3DCE-NPD与供应链设计协同

在3DCE平台上开发新产品，其供应链设计、原材料和上游产品符合低碳经济要求，3DCE中的供应链设计超越了简单集成供应商的技术能力，其中包括该供应商的信息处理、通信能力和库存管理，甚至与供应商的关系。

传统的装备制造业供应链设计，注重考虑资源供应方式、供应成本和产品快速响应市场，不注重对在生产过程中产生的废弃物对环境的影响、材料满足设计的可靠性、用材最省、生产过程中的能源消耗的考虑；不注重减量化设计、产品的再使用设计、再循环设计、再制造设计。在进行供应链设计时，仅在企业内部进行协调，资源供应、原材料供应的绿色性、上游企业的绿色设计与下游用户的绿色环保要求和环保便捷性排除在供应链设计之外，导致上游供应商和用户参与基于3DCE供应链设计受到影响，从而不能满足产品的绿色设计要求。

在装备制造业整个供应链设计过程中，从资源开采与提炼、原材料加工成工程材料、产品设计、产品制造、产品销售供应、产品使用，到产品再使用、再循环、再制造、资源化，都是基于3DCE-NPD平台，将产品绿色设计、数字化设计、智能制造贯穿整个产品生命周期，如图4所示。3DCE并行工程中的绿色设计、数字化设计和智能制造相辅相成，数字化设计和智能制造更加有利于产品的绿色设计、产品的清洁生产，更加有利于产业的环境责任制造，保护环境，实现产业的集约式增长和产业的可持续发展。

图4 基于3DCE-NPD的产品供应链设计过程

3DCE-NPD在整个产品生命周期考虑对环境的影响，并从整个供应链，由供应链成员参与，从绿色环保的观念进行产品设计、流程设计和供应链设计，尽量减少企业产品的生态足迹。

2.3 3DCE-NPD与流程设计协同

美国的Michael Hammer和James Champy提出的业务流程再造（BRP），强调以业务流程为改造对象和中心、以关心客户的需求和满意度为目标、对现有的业务流程进行根本的再思考和彻底的再设计，利用先进的制造技术、信息技术以及现代的管理手段、最大限度地实现技术上的功能集成和管理上的职能集成，以打破传统的职能型组织结构，建立全新的过程型组织结构，从而实现企业经营在成本、质量、服务和速度等方面的戏剧性的改善[5]。按照业务流程再造的理论，在3DCE-NPD的理念下，业务流程再造要根据绿色设计、数字化设计和智能制造对装备制造的流程设计再造，与流程有关的3DCE-NPD重点放在流程设计，通过流程再造、现代数字技术和智能制造，达到产品设计要求，减少废物源，实现环境责任制造。装备制造业按照3DCE-NPD理念，从提高资源利用率上需增加资源循环流程，从加快资源流速方面，减少停滞时间，并降低成本。通过流程再造，改进操作，改善库存管理，减少废物。

传统经济模式下，企业的目的是利润最大化，为了谋求最大化利润，企业不惜牺牲环境为代价。经济新常态下，企业以价值最大化为目的，经济增长按照集约化增长方式，用绿色GDP衡量，因此企业在进行新产品开发时，必须对传统流程设计进行再造，融入绿色元素。在进行流程再造时，将绿色设计、数字化设计、智能制造与产品设计相结合，其中数字化设计、智能制造是绿色设计的保障。产品绿色设计可以充分利用数字化设计和智能制造等先进制造技术提高资源和能源的利用效率，达到节能减排，保护生态环境，实现经济新常态。基于3DEC-NPD就是通过产品设计、流程设计和供应链设计，充分利用绿色设计、数字化设计和智能制造实现降低成本、提高产品质量、快速响应市场、提高用户满意度、减少污染[6]。3DCE-NPD平台的BRP实施体系如图5所示。

图5 3DCE-NPD平台的BRP实施体系

3 财政政策支持建议

《中国制造2025》提出：“我国经济发展进入新常态，制造业发展面临新挑战。资源和环境约束不断强化，劳动力等生产要素成本不断上升，投资和出口增速明显放缓，主要依靠资源要素投入、规模扩张的粗放发展模式难以为继，调整结构、转型升级、提质增效刻不容缓。形成经济增长新动力，塑造国际竞争新优势，重点在制造业，难点在制造业，出路也在制造业”。国家要实现从制造大国到制造强国，装备制造业要适应经济新常态带来的变化，加强新产品开发，积极自主创新，推动转型升级，逐步实现装备制造向湖南装备创造转变；国家也应该加强对装备制造业的投入，从财政政策上给予支持，降低企业R＆D的投入风险；增加装备制造产业技术的外部供给；为企业人才引进给予政策支持。实现经济转型时期装备制造业的发展。