基于成本优化的全生命周期下堆肥箱设计开发研究

李月恩 王立阳

摘要：为了节约在进行产品设计时的成本浪费，现在根据实际的设计案例进行一个完整的产品全生命周期设计流程，让我们的设计过程避免不必要的成本浪费。文章以产品全生命周期为主轴，成本优化法穿插到每个设计流程，深挖每个阶段的成本优化点，采用对比研究法对堆肥箱设计的两种过程进行验证分析。通过对比研究法，得到一个产品全生命周期的成本优化系统。通过该系统，能够减少产品设计的成本浪费，从而得到一个成本最优、周期最短的设计方案。

关键词：全生命周期 成本优化 对比研究 优化系统 成本浪费

中图分类号：TB476 文献标识码：A文章编号：1003-0069（2023）11-0117-05

引言

尽管基于全生命周期新产品开发流程的成本优化研究在各种产品开发领域已取得长足进展，但是作为绿色生态环保产品的开发研究却具有挑战性，因为绿色生态环保产品的全生命周期存在与传统产品全生命周期不同的地方，主要体现在绿色生态环保产品的数据可遗传性，基于此，使得绿色生态环保产品的开发更具有挑战性。通过对于绿色生态环保产品的全生命周期的成本分析，获取成本分析与产品设计与开发之间的逻辑关系，将此逻辑关系带入产品设计开发的流程之中，获取新的设计思路和方案。采用这种方式，可以有效提高产品设计开发的效率，可降低产品开发的奉献，可以更快地相应市场。案例分析認为，这种方法可行且具有科学性，值得向企业推广。

一、成本优化下的全生命周期概述及研究现状

（一）国内外研究现状

产品全生命周期是指企业在进行整个产品过程，从用户的需求出发，到调研、规划、设计、生产、销售、运行、使用，直到售后回收再利用整个过程。成本优化可以看成在不影响用户需求的情况下，将整个产品生命周期的每个阶段的成本压缩到最低，从而达到预期的效果。

1.国外概念的研究起步：最早的概念起源于市场经济产品管理领域，是由Dean和Delevirt提出的，当时只是对整个产品引入、成长、成熟、衰退4个阶段进行分析，到20世纪80年代生命周期的概念转化为市场需求到回收报废整个过程。最初的产品生命周期成本优化的概念是在美国军事装备后期维修的调查中提出的。调查发现，军事装备后期维护费用极高，自此以后，并开始使用生命周期成本评价，得到了节约成本的最佳方案[1]。

2.国内概念的研究起步：我国于上个世纪 80 年代引入产品生命周期成本法。在国家标准 GB6992—86《可靠性与维修性管理》中，将产品的生命周期划分为概念与定义、设计与研制、制造与安装、使用与维护、处理等5个阶段。在产品生命周期成本理论应用研究综述中，了解了产品生命周期成本理论的产生和发展历程、在个各个行业应用成效、总结了产品生命周期成本理论在以后的发展[2]。

（二）成本优化的研究方向

1.阶段性成本控制：众多的成本优化的途径中，应该从根源解决成本问题，在进行产品开发设计时，应该遵循可持续的原则[3]。在加工工艺、标准化、结构化、时效性方面来控制成本[4]。设计的最终目标不仅仅是制造产品，是形成一套完备的设计流程[5]，企业在研发产品时，形成一套完备的设计流程模式，就会提高工作效率，降低成本。前期充分调研，中期把握产品成本质量，后期做好售后服务[6]。

2.成本优化下全生命周期的附加价值：进行产品设计时，满足功能需求后，要注意产品的附加价值，附加价值主要包括企业品牌价值、企业管理模式、社会效应。准确产品定位，避免盲目设计。要注意产品全生命周期是一个“动态”的视角，注意产品每个阶段的迭代机会[7]。塑造良好的企业管理模式，在管理制度、资源配置上改革创新，成本优化概念深入到每个部门并加以实施，企业才能准确把控目标利润，让企业立足于不败之地[8]。常洪提出了指向性设计，设计要把握产品价值，明确产品价值方向[9]。马誉銘提出了在可持续发展设计上，不仅要在回收利用上体现，还要在产品结构和功能上体现[10]，应召国家坚持可持续发展战略，形成良好的社会效应，树立企业形象。

3.成本优化的目标：李怡提出了在工业设计中的成本管理目标包括两种，一种成本缩减，另一种是成本避免；设计成本的初级目标是成本缩减，高级目标是成本避免[11]。成本缩减是一种传统的方法，阶段减少成本输出；成本避免是一种在设计阶段直接优化设计，降低成本。保持产品原有功能性，提升产品美观性。例如冰箱的门把手设计，外露式把手和隐藏式把手都能满足其功能性，但是隐藏式能使冰箱门简洁美观。

本文在成本优化的全生命周期下的概念基础上，从全生命周期的用户需求出发，把成本优化穿插到每个阶段进行分析，建立一个成本最优，生命周期最短的系统。通过对堆肥箱的实际设计案例出发，来验证该系统的优点。

二、全生命周期下产品设计的传统模式和成本优化下模式的关系构建对比

关系构建首先就是通过对流程的对比，通过对比研究法对传统全生命周期和成本优化的全生命周期进行一个架构上的对比。为此，我们围绕该方案提出三点内容：传统全生命周期下的系统架构、成本优化的全生命周期的架构、对比分析其优势。

（一）理念一：传统全生命周期下产品设计的流程架构

传统全生命周期下的产品设计大致流程就是一个产品从满足用户需求、规划设计、生产使用、产品销售、用户使用、维修保养、直到产品回收再用最后处置的整个过程，有效地进行管理，产品综合性能的最佳性。整个流程比较概念性，没有深层次挖掘其隐藏的优化点。如图1所示。

（二）理念二：成本优化下的全生命周期下产品设计的流程架构

成本优化下的全生命周期下产品设计是基于传统全生命周期的流程进行的深挖阶段的一种成本优化方法，具体流程图如图2所示。

1.设计前期：在前期进行满足用户需求的同时，充分进行用户调研，满足其产品的功能性，优化设计方案，减少成本浪费；在进行实际开发设计项目时，对材料和加工工艺进行一个充分调研，使想法和设计充分的配合。

2.设计中期：开发产品样机前，对方案进行一个高频评审的过程，高频评审方式就是自项目确定时，进行一个规定时间、规定设计方向的深讨论过程，讨论过程中，进行一个数据存储的方式，以word和PPT记录过程存储到文件中，后期第N版确定方案时可使用。

3.设计后期：确地方案开发后，需要考虑其运输成本问题，减少成本，工厂对接销售平台；用户购买产品使用产品及后期维护的同时会反馈到设计规划阶段并存储到数据库中，便于产品的更新换代；旧产品淘汰时，材料、模块化零部件可以直接和产品设计规划阶段对接。

（三）理念三：全生命周期下产品设计的传统模式和成本优化下模式的关系

传统设计理念和成本优化设计是以全生命周期的概念为基础，传统设计理念是基础，成本优化设计是优化升级。如图3所示，现在的设计理念要紧跟时代发展的步伐，符合现代的设计发展原则。

三、成本优化的全生命周期下堆肥箱设计模型构建

通过对实际案例的设计，为了验证成本优化的方式在产品设计过程的可行性，现对实际案例堆肥箱的设计来证明该方法可行，能够在设计中减少成本的浪费，成本优化在产品设计中发挥重要的作用，本文建立了一个全生命周期的各个阶段的成本优化的模型，如图4所示。

（一）成本优化的全生命周期下堆肥箱设计模型设置

本模型的设置是在传统全生命周期的流程下进性一个三层分级制，第一层是流程层，从了解用户需求开始直至产品回收利用；第二层是数据层，从了解堆肥箱的用户需求点，到设计开发所需的设计优化，堆肥箱生产售卖产生的费用，直至堆肥箱的回收再利用费用；第三层是管理层，整个层级是一个数据库的方式，一是设计师端，设计师在进行设计时，把每阶段的设计做到最优化，在另一端是评审和售卖回收利用率的数据记录。

（二）成本优化的全生命周期下堆肥箱设计阶段设置

1.用户需求阶段的设置意义：随着中国城市基础设施和居民小区的不断建设，城市园林的绿化面积呈现不断扩大的趋势，园林废弃物的处理成了急需应对的问题。传统的焚烧和掩埋已经不符合绿色环保和可持续的要求了。从堆肥箱的设计意义上来讲就是应召国家生态文明建设政策，如果枯枝烂叶和一些生活有机垃圾处理不得当的情况下，就会耗费大量的人力物力，给环保部门带来一定的经济负担，堆肥箱的设计开发使用也是对政府财政的一个成本优化的体现。

不仅能够减轻财政负担，还能实现园林绿化垃圾的再利用，这样不仅有利于可持续发展的目标，而且对于整个园林的绿化环境和生态文明建设，会具有深远的意义。

2.调研分析阶段的设置意义：我国的园林废弃物产生量巨大，实际利用率却极低。在马来西亚普劳平昂，用当地制造的堆肥箱分解由草屑混合物组成的固体废物，来达到生态循环。同国外相比，我国的堆肥技术起步发展晚，国内的堆肥箱市场巨大且富有潜力，增长速度强劲。目前国外是通过堆肥的方式对园林垃圾进行科学的处理，这种处理方式已经相当成熟，而我国在堆肥方面正处于起步阶段。堆肥是利用技术手段将园林落叶转化为有机肥，对城市生态环境具有重要意义。目前大多数国家的政策都在支持园林垃圾的处理朝着无害化，持续化，可循环的方向进行。现有市场上的堆肥箱大多数在材质上是塑料材质，占比约72%；一小部分是不锈钢材质占比20%，还有一小部分是木材、竹材，占比约5%；其他材料占比约3%。国内同类产品的品牌厂家如表1所示。了解国内外堆肥箱的现状，并调研国内的同类产品的生产厂家，让堆肥箱的设计过程中取其精华，去其糟粕。在设计前期避免专利产权的纠纷。

3.设计生产阶段的设置意义：通过高频评审模式，阶段性进行方案評审，从第一次方案一直到生产方案的确定。堆肥箱的设计开始日在2021年2月底进行，在3月初完成，整个时间周期为22天。分为5个阶段性周期。

（1）第一阶段周期，设计开始阶段，进行甲方对接工作，设计出了初步案例，进一步了解甲方需求，方案一效果如图5。

（2）第二阶段周期，对设计进行改进设计，甲方提出要求为：原直筒式设计在不易加工且不美观；原设计箱盖不易开合且没有密封措施；取肥时，产生取肥死角，取肥困难；堆肥产生的液态肥水与固态肥料混合，影响堆肥质量；对堆肥箱内肥料发酵状态不清楚。改进设计方案二效果图，如图6。

（3）第三阶段周期，满足其功能性后，开始进行成本控制的方式进行介入，在材料上选择上，外观材料上，使用SUS304不锈钢板，不锈钢材料具有经济实用、外形美观、重量轻、强度高、耐腐蚀、耐高温、高温抗氧化的性能。适合放置在公园这一露天室外场所，减少气候和非主观因素对其的影响；保温层材料选择聚氨酯保温层，其具有热塑性的线性结构，它比PVC发泡材料有更好的稳定性、耐化学性、回弹性和力学性能，具有更小的压缩变型性。结构上进行一个标准件设计，考虑在室外，零部件需要后期维护。如图7为方案三效果图。

（4）第四阶段周期，前三次的设计方案进行总结性的大改进设计，整体采用立方体结构，配合三角稳定支架上下分离式结构，采用螺栓结构，方便拆卸，安装；采用液压杆系统掀盖模式，加入废料时，无需人力支撑；智能温湿度监控系统；内部具有30mm聚氨酯板保温层具有一套完备的可调节的通风发酵系统出料口，采用左侧开的方式；不影响取料出料门采用小的可视窗设计，能够明确内部的发酵情况。在现阶段，主要考虑堆肥箱的模块化设计和标准化设计，独立开发一套通风系统，可以节约很多专利费用。该设计方案采用分体式设计，上下可实现分体式，下方出料口容易腐蚀，可以考虑模块化替换维修。分散式堆肥已被提议为最佳可得做法，对城市固体废物管理计划高度积极的影响。[12]方案四的设计制造报价单如表2，效果图如图8。

（5）第五阶段周期，对第四次方案的升级优化，简化了外框设计，采用直接摆放的方式进行，优化了通风系统的设计，改为旋钮调节方式，能更好地把握堆肥的发酵情况；成本优化方面主要进行了内嵌式通风系统方式，优化设计，由第四版的外连接方式，改为内连接方式，改变了结构，直接可以把通风系统安装在箱体内壁；外部广告牌设计，可以赚取一定的广告费。方案五的设计报价单如表3，相比方案四优化了设计，节约了成本。效果图如图9。

四、堆肥箱设计方案选定及其实践意义

历经22天的设计周期，通过高频评审模式的方式，进行五次设计方案的设计与讨论，满足用户需求的同时，确保成本的最小化。最终敲定使用方案五的设计。

（一）堆肥箱方案各项功能及其材料选择

1.堆肥箱外观设计及其材料选择：整个外观采用不锈钢箱体，塑料盖子的设计，考虑到甲方是小批量生产使用，选取钣金不锈钢的方式进行制造，如试验成功，可能后续替换成塑料箱体，进一步的箱体模具的开发，模具生产制造是产品大批生产制造的最优选择，也是后期成本最低的一种模式。

2.堆肥箱内部设计及其材料选择：内部主要是通风系统和沥水盘的设计制造，通风系统上，采用不锈钢管的焊接模式，考虑到室外堆肥，有很多枯枝烂叶，在保证防腐蚀的功能下，还能起到一定的承重功能；沥水盘的设计需要进行一个pp塑料板的材料，箱体上部分进行堆肥发酵，箱体下部分进行一个储存，沥干肥水的作用，一定要耐腐蚀，所以选择pp塑料。

3.堆肥箱模块化零部件选择：主要零部件有温湿度监测仪和箱体取料口门部分，箱体上具有预留孔设计，能够对后期的维护做到很好的保障，箱体取料口门部分是一个可拆卸部分，都是具有标准件的门锁和门把手，方便后期维护。

4.堆肥箱使用流程：堆肥第一步把园林废弃废物收集放入堆肥箱内；第二步放入一定的生物发酵菌，搅拌均匀；等待发酵，可通过取料口的透明玻璃门观察箱体内的发酵程度，发酵完成，打开取料口，收集肥料。

（二）实践意义

根据成本优化下全生命周期的整个设计流程探索与实践，总结出本模型具有四点实践意义：

1.节约制造成本：得益于堆肥箱的优化设计，堆肥箱的功能能够很完备地表达出来，而且还能把外观效果变得简化美观。节约制造材料，选择合适的制作材料。成本优化下对比传统流程的成本优化率折线图，如图10。

2.缩短设计周期：对于高频评审的设置，能够及时完成设计工作，缩短设计周期，阶段性的提高工作效率。通过观察对比周期时间图，如图11，可以观察出，成本优化下的设计周期明显小于传统意义上的设计周期。按照传统的产品设计流程，前期和成本优化下的流程时间没有多大差别，在后期的时间上，可以明显地看出在设计阶段成本优化的优势显现出来，可以直接按部就班地进行下一步工作，前期工作做得扎实，后期的工作就会很好做，节约很多不必要的时间。

3.提高产品质量：在设计初期就开始充分考虑成本的最优性，能把节约的成本增加到产品核心部分，提高产品的质量；在设计制造阶段，也能提高产品成品率；在产品使用阶段，既能提高产品性价比，还能让用户体验得到最佳；在后期维护回收利用上，也能减少产品的维护成本，还能提高回收利用率。在质量总成本曲线图中，如图12，产品生产到达A点时，是产品质量和成本的最优点，一旦达到B点，产品质量虽然得到有效的提升，但是成本就会消耗很大。所以要把成本最优时，把产品质量达到最大化。

4.数据存储：数据存储的价值在于能在目前大数据的环境下，来驱动新产品的创新设计优化，在第二代产品设计前期，可以通过在第一代收集的数据中得到关键点，精准定位；在收尾阶段，可以存储数据，进行一个量化数据，有助于产品的迭代。减少成本输出；销售使用回收阶段进行数据存储，能够通过大量的销售数据、用户体验数据、零部件更换的数据来分析下一代新产品需要摒弃的弊端。

总结与展望

本研究所建立的成本优化下全生命周期的产品设计模型，可以运用到大量的产品设计中，能够实现产品设计进行时，各项工作能够得到合理的安排，提高工作人員的工作效率，缩短产品开发周期，节约产品设计开发成本，新产品能够快速推出到市场，产品用户体验反映也能快速得到回馈，为下一代新产品蓄力。在实际设计案例中，本模型表现出的能力比较明显，同时还需要进一步深挖改进，实现新产品开发研究时，能够发展成智能化产品设计，用大数据来驱动配合新产品的开发。

参考文献

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