产品架构演化及开放式设计策略

程贤福 章志宏 王承辉 潘逸飞

摘要：产品架构表征了物理组件间排列与组合的方式，可以促进产品的多样性和部件共享，更好满足客户个性化需求。开放式设计可以支持客户参与产品开发，开放式产品架构为个性化产品开发提供了平台策略。为了更加深入地研究产品架构理论及应用，阐述了架构的概念与作用及单一产品架构、产品族架构和开放式产品架构的特征、联系和区别，从架构开发模式、架构开发策略和架构组织管理等方面剖析了产品架构的演化历程及其内在动因。系统梳理了开放式产品架构的概念内涵、作用与机制，明晰了客户个性化需求、产品架构和企业开放式创新策略的相依关系，探讨了产品架构开放式设计策略。

关键词：产品架构；开放式设计；模块化；演化；个性化

中图分类号：TH122

DOI：10.3969/j.issn.1004132X.2024.01.011

Product Architectures Evolution and Their Open Design Strategies

CHENG Xianfu ZHANG Zhihong WANG Chenghui PAN Yifei

Key Laboratory of Conveyance and Equipment of the Ministry of Education，East China

Jiaotong University，Nanchang，330013

Abstract： Product architecture represented the arrangements and combinations of physical components. It might promote innovation of product diversity， component sharing， and meet customers personalized needs. Open design might support customers to participate in product development， and open product architecture provided platform strategy for personalized product development. To further study the theory and applications of product architecture， the concept and effect of product architecture were introduced， as well as the characteristics， association and difference between single product architecture， product family architecture and open product architecture were expounded. The evolution processes of product architecture and their internal motivation were analyzed from the aspects of architecture topology， architecture development strategy， architecture organization and management. The concept， connotation， function and mechanism of product architecture were reviewed. The dependence of customers personalized needs， product architecture and enterprises open innovation strategy were discussed， and then open design strategies of product architecture were explored.

Key words： product architecture; open design; modularization; evolution; personalization

0 引言

架构（architecture）是人们对一个结构内的元素及元素间关系的一种主观映射的产物。计算机硬件、软件、网络、组织等都有其相应的架构，如组织架构是一个组织整体的结构，软件架构是有关软件整体结构与组件的抽象描述，网络架构是网络服务和设备构建在一起以满足客户端设备和应用程序连接需求的方式。文献［1］将系统的架构定义为：系统在其环境中的框架，包含元素、关系以及设计和进化原则。文献［2］将架构描述为系统中的元素以及元素之间的关系、功能被分配给元素的方式、元素之间的接口以及与周围环境的接口。架构作为一种系统结构型方案理念，同样适用于机械系统，通常涉及功能需求、物理结构、运动和传动机构及控制系统等方面。對于机械产品来说，架构是产品设计的关键决策环节，影响着产品系列化水平，很大程度上决定了产品的开发成本和质量水平。

在架构设计过程中，需要考虑物理结构的组成、行为及元素之间的协同以实现系统的功能需求，好的架构设计可以提高系统的性能、可靠性和可维护性，同时也可以降低系统的开发成本。近年来，产品架构的相关研究成果已得到工程界和学术界的高度关注。为了更加深入地研究产品架构理论及应用，有必要系统地综述产品架构的研究现状并对相关研究成果进行梳理，阐述单一产品架构、产品族架构和开放式产品架构的特征、联系和区别，探讨产品架构的演化规律以及开放式设计策略。

1 单一产品架构

产品架构（product architecture）是产品设计制造过程中诞生的实用产物，可以促进产品多样性、部件共享、满足客户需求和应对知识复杂等方面的设计创新，同时可提高产品研发模式转变、开发团队协同以及产品平台战略管理等方面的绩效［3］。CHEN等［4］认为架构是一种将产品的功能分配给其物理组件的方案，是一种产品系统中功能模块的交互方式。ULRICH［5］定义产品架构是由设计理论与方法、软件工程、运作管理和产品开发管理等多学科的知识综合，通过将产品功能映射到物理组件而形成的系统性方案。SALVADOR等［6］强调架构不仅体现了产品物理组件间排列与组合的方式，更重要的是实现了客户需求特性与产品物理组件的匹配。产品架构作为后续设计过程的指引，其属性是一种表示组件之间交互关系的技术系统，如图1所示。

1.1 产品架构、平台与模块化

从架构的角度看，产品包含两类元素，即物理组件和界面（接口）。单一产品架构分为两种形式：集成化产品架构和模块化产品架构［5，7］。前者的多个功能要求由一个物理组件实现，其优点是可以整体优化产品功能，但组件间的界面是耦合的，架构的柔性和适应性较差。后者的功能要求与物理组件或模块间是一一对应的，通过接口建立模块之间的联系，而模块间的关系相对较独立。相对集成化产品架构，模块化产品架构可以通过更改相应的模块来调整产品的功能要求，有利于客户的定制，通过模块的配置实现产品的多样化。由此可知，借助模块化的产品设计，企业可以有效降低产品制造成本，从而提升竞争优势。产品的架构实际上是平台概念的拓展，是相同的工程解决方案和模块化制造工艺的综合。作为一种系统性的方案，不能仅仅满足于企业生产的便捷，更需要从市场出发，强调产品与客户的联系。产品架构的理念广泛应用于企业生产中，例如陈虹［8］结合上海汽车集团股份有限公司（简称“上汽”）自身特点，分析了上汽自主品牌产品开发的架构策略，这种架构策略有助于实现相应汽车产品的个性化要求，同时也能较高程度保持企业生产开发的高效率、高质量以及低成本。产品架构理论在长时间的应用中日趋完善，并且随着制造方式的升级不断完善。BERRY等［9］认为下一种制造方式将是个性化模式，而架构构建是面向个性化产品开发的一种关键使能技术。

架构作为平台概念的拓展，研究产品架构的基础便是研究产品的平台。产品系列化的关键取决于平台，通过向平台添加、删除或替换一个或多个模块，或者通过在一个或更多维度上扩展平台以瞄准特定的市场，从而衍生出不同的产品［10］。产品架构、平台和模块化在制定开发和运营战略方面的作用非常重要， MUFFATTO等［11］提出了一种产品架构的通用框架，解释了产品开发策略和过程管理的相关产品结构概念。产品众多的共同件构成了平台，随着产品在性能、尺寸以及用途等方面的逐渐多样化，平台概念得到拓展，多平台彼此之间虽然可能使用不同的零部件，但可以找到共同点，采用相同工程解决方案的多个平台组成同一架构［8］。组成产品的不是相对孤立的零部件，而往往是相互关联又具有相对独立性的模块。王馨博等［12］认为平台包含核心模块和子系统模块，后者可以按一定规则组合但并不影响平台的稳定，因为核心模块与子系统模块之间存在通用接口或者界面。

模块化可以使得产品架构更加清晰和易管理，通过将产品分解成模块，每个模块可以独立设计、开发、测试和维护，从而降低整个产品的复杂度和风险。因此，从模块化的角度优化产品架构是产品设计过程中一种常见的思路。SOSA等［13］从产品架构和组织结构的角度研究了复杂产品的开发方法，探讨了组织边界、设计接口、间接交互和系统模块化的关系。MIKKOLA［14］构建了一种模块化函数模型来衡量产品架构的模块度。由于客户需求是动态的，产品也相应不断更新改进，以模块化的方式进行产品升级是一种有效的方式。RAMACHANDRAN等［15］探讨了产品架构和推出时机对快速改进产品的影响，认为通过模块升级可加速产品创新步伐。陈永亮等［16］通过构建基于模块化产品架构的跨企业适应性供应链网络，在供应商提供模块选择基础上，权衡模块度和匹配度，优化产品架构。魏云篷等［17］引入信息熵理论，考虑模块中零件之间的相关性，提出了基于模块度和均衡度的模块划分方法。卫军朝等［18］考虑构建成组约束条件，以模块度、正交度和模块内聚度为目标，提出了一种多目标产品架构模块划分方法。GALVIN等［19］认为创新水平的提高、消费者偏好的快速确定以及生产成本的降低等都与模块化产品架构有关。

1.2 产品架构评估与优化

产品架构决定了产品的主要性能，评估产品架构往往需要从多个方面来衡量，如架构的可靠性、可维护性、资源利用率、界面操作性等。周吉浩等［20］认为产品架构是方案设计的核心，功能架构是产品架构的前端，他们以公理设计为指导，阐述了产品功能架构的设计过程。产品架构决策影响企业新产品引入市场，因此具有重要的战略意义。WOUTERS等［21］提出了一种关于产品特性的产品架构决策评估方法。顾元勋［22］从情景转化方式的架构流动与变动来评估产品架构，并提出四种产品架构评估的准则。产品架构并非一成不变，它会随着需求的变化而产生演化，如整车电子电气架构，从分布式架构到域控架构，再到中央计算单元架构。产品架构自身的变动会引发一系列企业路径选择以及评价机制的问题，针对此，史妍［23］研究了架构驱动的路径理论问题和评价机制问题，并构建了适用于产品架构的客户需求价值模型。魏云篷等［17］提出了一种产品架构评价方法，以熵权法计算各个指标的权重，基于模块度和均衡度评估与优选模块划分方案。

复杂装备更需要基于产品架构的开发方式，同时对产品架构的合理性也需要进一步探讨，因此产品架构的优化问题也是架构研究重要的一环。严建文等［24］基于公理設计中需求域、功能域和架构域的映射，建立了复杂成形装备产品架构和服务架构的关联关系，提出了产品架构设计与优化方法。杨青等［25］应用多领域矩阵分析产品与流程架构之间的依赖关系，提出了产品与流程架构的跨领域集成与优化方法。针对产品架构随需求变化而产生演化，LUO［26］分析了产品可进化性的影响因素，提出了一种基于仿真的评估产品架构对产品可进化性影响的方法。顾元勋等［3］依据情境—过程—内容—目的范式，立足于设计、战略、知识和决策视角，从架构形态、属性、构造及扩张与成长四个方面阐述了产品架构演变机理。王文跃等［27］从系统工程理论角度研究了基于模型的系统工程体系架构的关键技术、开发模式及应用领域等。

当前对单一产品架构的研究主要从产品架构的内涵、开发模式、模块规划、架构评估、架构优化等方面展开，强调产品架构作为后续设计过程的指引作用，追求客户需求特性与产品物理组件的匹配，促进产品多样性和部件共享。然而，它们难以应对知识复杂等方面的设计创新，模块化程度也不高，且鲜有考虑客户需求的动态变化、功能要求的可变性、系列产品全局与局部协同设计以及产品设计适应性。

2 产品族架构

2.1 产品族架构与大规模定制

社会生产能力是随着时间推进而逐渐增强的，尤其工业生产，需要广泛考虑效益市场等因素，因此对于不同的生产能力，便需要与之匹配的生产模式。大规模定制作为一种重要的产品开发形式，已经得到学术界和企业界的广泛肯定［28-29］。SILVEIRA等［30］認为大规模定制是指以大规模生产的成本和速度提供定制化产品和服务的能力，满足客户真正的个性化需求而又不牺牲效益和成本的生产模式。QIN等［31］认为大规模定制属于一种为满足个性化需求的方法范式而非技术手段，是由客户与企业协调控制产品生产的模式，适用于解决规模与定制之间的矛盾。

在大规模定制模式下，产品设计不再是针对单一的产品进行，而是在产品的各个设计阶段都要考虑一族产品的设计，即产品族设计。基于产品平台的产品族设计是快速响应客户个性化需求的有效技术手段，针对细分市场中不同客户群的需求，以低成本和快速的开发周期来满足客户的个性化需求。产品族设计作为实现大规模定制的一种有效方式已得到广泛关注。JIAO等［32］从宏观的角度综合分析了产品族设计的现状及进展。BAJARAS等［33］在进行产品族规划时充分考虑了产品设计中的不确定因素，提出了一种综合的产品族规划方法，改善了整个产品族设计过程。由于产品实际运行中工况复杂多变且难以反映到产品族的设计需求中，因此为提高产品适应性，对满足不同工况的产品个性化定制技术提出了新的要求［34］。

产品族中公共产品平台也称为产品平台，MEYER等［35］定义产品平台为“一组共用的零部件或模块集合”，而共享同一产品平台、具有不同的特征和性能，以满足一定范围内不同客户需求的一系列产品就是产品族。产品族架构（product family architecture）设计环节位于整个产品族开发流程的前端，它对企业产品竞争力培育的重要作用已经得到普遍认同。架构是产品族设计的关键决策环节，大约70%的成本与属性是在产品族架构设计阶段决定的［36］。产品族架构可以理解为一种产品配置系统的规划方案，本质上是产品族的概念结构及其逻辑关系。JIAO等［37］用三个要素定义了产品族架构——公共基础、差异化使能因素和配置机制。有别于单一产品架构关注某个/些特定功能的产品，产品族架构立足于产品族，着眼于一族产品共享的组件，研究的内容不只是产品平台的规划，还有一族产品共享架构的建立［38］。具体而言，产品族架构既要考虑单一产品架构关注的模块和结构布局问题，又要考虑产品族成员共享模块与共用件设计，同时还要优化产品族整体布局，权衡面向不同细分市场的产品通用性与多样性配置，如图2所示。

2.2 产品族架构模型

产品族架构开发是介于客户需求分析与产品族设计间的一个环节，需考虑系列产品全局与局部协同设计问题，也需要解决产品平台的架构以及基于同一产品平台的相关系列产品的结构问题。支华炜等［36］从架构模式、物理技术、优化技术、平台架构等方面对产品族架构研究现状进行了比较系统的综述，分析了产品族架构与单一产品架构的区别，但没有分析客户参与体验产品开发过程，也未涉及产品架构的演化。JIAO等［39］从功能视图、技术视图和物理视图三个方面描述了产品族架构，提出了基于质量功能配置和公理设计理论的产品族架构开发方法。WITS等［40］结合TRIZ理论和功能行为结构模型，探讨了产品族架构接口设计冲突问题。熊体凡等［41］提出了一种基于层级约束的产品族架构模型，分析了架构元素的特征属性域和装配结构域之间的关联关系。魏巍等［42］研究了云制造模式下产品平台架构，提出了产品协同设计平台架构，详述了平台架构5个子层的含义，探讨了产品族和产品平台的关键技术。CHANDRA［43］提出了摩托车架构的多层框架，认为该框架适用于其他产品设计，因为在所有设计领域中，功能、结构和接口之间的关系基本上是一致的。上述研究主要从需求结构关联角度提出了产品族架构模型或开发方法。

产品族架构模块化可以在主结构较为稳定的前提下实现产品多样化，而架构模块的开发、规划及确定是产品族架构模块化主要研究内容。陈刚桦等［44］分析了需求模块的映射关系和模块之间的影响关系，基于模块变异指数和传播指数，构建了动车组转向架模块化产品平台。王相兵等［45］基于客户需求驱动构建了产品主结构，探讨了产品族架构模块划分与识别，分析了模块变更对产品主结构的影响。YU等［46］提出了一种利用设计结构矩阵和遗传算法开发模块化产品架构的信息论方法。ZHOU等［47］提出了一种概念设计阶段的产品族架构设计方法，将客户多样化需求映射为产品功能和结构，利用多样化指数确定架构模块。KIM等［48］探讨了产品族架构的复杂性，将平台架构模型映射为抽象的设计结构矩阵，提出了一种有助于管理产品平台和产品族架构复杂性的启发式方法。MESA等［49］分析了模块化架构原则的优点和局限性，探讨了制造系统和产品组合的可重构配置，为产品设计阶段提供了模块化架构解决方案。ELMARAGHY等［50］针对可重构制造系统产品的可变性，提出了一种基于模块化层次结构的产品族架构设计方法。上述研究主要从模块化角度提出了产品族架构开发的解决方案，但现有的模块化产品架构设计方法主要是基于静态需求，忽略了影响未来产品功能的市场动态。GAUSS等［51］全面综述了模块化产品族研究现状，总结归纳了72种有关产品族设计的方法，包括产品族架构的规划方法，但没有探讨产品族架构的具体设计过程。

2.3 产品族架构优化

随着客户需求的不断变化，常规的产品族架构难以同时支持低层次的横向定制和深层次的纵向定制，为更好地快速响应市场需求，产品族架构的柔性、稳健性或适应性已引起研究者的重视。史康云等［52］考虑客户需求的不确定性，将对应的设计参数向物理结构映射，以确立产品的核心柔性结构，提取公共元素和柔性元素，建立柔性的产品族架构。魏巍等［53］将稳健性设计方法应用在模块化产品平台设计中，降低最终模块对不可控客户需求的敏感度。孙之琳等［54］通过用户需求向功能域—结构域—参数域逐级映射，基于信息熵理论评价产品平台的可适应性。程贤福［55］提出了面向可适应性的稳健性产品平台规划方法，在产品平台规划初期就开始考虑产品的稳健性和适应性，以避免后期出现大的返工。LI等［56］在产品族设计过程中将参数调节能力引入到一些模块中，构建了一种柔性平台，可以支持衍生产品的适应性定制。BRIERE-COTE等［57］建立了适应性产品族架构，以表达面向订单设计产品的重用结构。LEVANDOWSKI等［58］提出了一种基于适应性平台配置设计的两阶段模型，将参数柔性调节融入到模块配置中，实现客户动态需求的适应性。ZHANG等［59］考虑在产品生产过程中客户需求和设计参数的变化，提出了产品族架构可适应设计方法。

随着大规模定制技术应用范围越来越广，产品族架构也不断优化。李砚等［60］针对产品族架构中平台参数和个性化参数之间的主从特点，构建了一主多从双层优化模型，实现了产品族架构设计的稳健性。杜纲等［61］在产品族架构设计过程中考虑供应商选择，构建了产品族架构设计主从关联优化模型，提出了一种架构规划的评价方法。万丽云等［62］考虑到产品族设计中产品平台的适应性，提出了面向适应性的产品族架构层次关联优化方法。LI等［63］将产品族架构归结为一个多目标优化问题，提出了一种评价产品、模块、参数的多层通用性方法。LEVANDOWSKI等［64］创建了产品生命周期管理架构，提出了一种柔性平台模块化架构设计的集成方法。BORJESSON等［65］权衡了模块独立性和产品相似性，分析了产品相似性策略对产品族架构的影响。MA等［66］提出了基于客户偏好的产品族架构设计方法，利用K-means聚类算法确定产品族架构方案。YASSINE等［67］优化了产品族模块升级决策以使利润最大化。HOSSAIN等［68］建立了模块化产品族和供应链架构的层次联合优化模型。

产品族架构开发立足于大规模定制模式，以客户需求为驱动力，结合规模经济性和范围经济性，考虑系列产品全局与局部协同设计问题，可通过产品平台快速重构形成系列产品。产品族架构研究主要体现在开发团队协同模式、产品平台战略管理、模块划分和组合配置、接口通用性设计、平台架构的柔性/稳健性/适应性、架构优化等方面，但鲜有涉及模块间耦合关联、适应性更改以及客户参与产品开发体验等问题，对产品设计创新性和接口适应性考虑不足，难以实现客户的个性化需求。

3 开放式产品架构

3.1 大规模个性化

当前，新一代信息技术与先进制造技术深度融合形成的智能制造技术，成为了第四次工业革命的核心技术和核心驱动力，引发制造业发展理念、制造模式发生重大而深刻的变革［69-70］。跨界知识融合、开发团队协同、供应商合作为产品创新及管理提供了机会。随着市场竞争的日益激烈和客户消费理念的不断变化，客户需求越来越趋向于个性化与多样化，产品需求呈现出小批量、多规格和个性化的特征，生产多功能、个性化的产品已成为制造企业的发展方向［71］。随着客户参与产品开发过程的意愿日益强烈，现有大规模定制所依托的产品平台技术难以充分满足客户的个性化要求［72］。大规模个性化（mass personalization 或 mass individualization）是一种新兴的生产模式，开发人员对客户进行引导与沟通，客户可以定制产品的个性化需求，旨在增强客户参与度和体验感的同时仍保持较低的开发成本和较高的生产效率。

大规模个性化模式一经提出，就得到了学术界和工程界研究人员的关注。如ZHOU等［73］从情感和认知设计角度出发，阐明了大规模个性化的关键维度，利用隐性市场需求信息挖掘潜在的客户需求；JIANG等［74］提出了一种分布式、具有自适应性和自组织特征的社群化制造概念，基于分散的社交媒体构建了信息物理社会网络，为客户创造了个性化的产品和服务；OZDEMIR等［75］提出了一种数字制造环境中的大规模个性化设计方法，基于柔性制造和客户共创过程开发满足需求的个性化产品。李浩等［76］分析了面向大规模个性化的产品服务系统模块化设计基本特征与实现模式、模块化过程模型、模块配置优化决策和模块化服务链供应配置方法等；李强等［77］提出了一种面向大规模个性化的交互式云制造模式，构建了云环境下大规模个性化智能交互过程以及需求交互转换过程模型；肖人彬等［78］构建了数据驱动的产品大规模个性化设计研究框架，探讨了数据来源、數据挖掘、数据驱动设计、设计方案展示及平台系统等关键技术。

3.2 大规模个性化与开放式设计

随着科技和社会的发展，企业内外部环境也发生了变化，企业外部的技术资源变得丰富，分工更加细化，知识分散扩大化。在这种新的产品开发环境下，学科与学科、行业与行业融合的必要性和优势日渐凸显，开放式设计可以让客户参与到产品设计和制造过程中，开放式创新已成为制造企业缩短产品开发周期、提升产品创造价值的一种模式。开放式创新主张充分利用外部资源，将企业内外部技术有效地结合起来，这一模式已受到学者和制造企业的关注。开放式产品是开放式创新的一个载体，是一种可升级、重构的模块化智能产品。客户作为大规模个性化生产模式的驱动者，是开放式创新的重要主体之一。企业利用开放式创新思想，将内外部资源和技术及知识融入到产品研制体系中，可以突破传统的封闭边界，扩展产品设计空间［79］。众包设计是一种“互联网+”开放式创新设计模式，利用互联网闲散智力资源以外包方式提供设计服务，拓宽了设计渠道［80］。HU［81］提出了面向开放式产品实现的网络物理制造系统，指出开放式产品实现是一种基于分布式消费者和供应商积极参与和协作的产品设计和制造范式。谈莉斌等［82］提出了一种基于相似度推荐和粗糙集理论的大规模用户参与的开放式设计方法，将客户碎片化、模糊化的需求精确映射到产品模型中，实现产品的个性化设计。

个性化模式需要一种合适的、能表达产品功能及其对应实体结构的架构。开放式产品架构（open product architecture）为大规模个性化设计提供了一个持续的产品架构，它具有可持续性、可适应性、可升级性和可扩展性的特点［83］。开放式架构产品是一种基于架构开发的开放式创新产品，可以最大程度地满足客户对产品个性化和功能变化的需求，又可以满足企业对低成本的追求。KOREN等［84］定义了开放式产品架构的含义，即基于一个共享的开放式平台，通过平台上的接口集成来自于不同制造企业开发的个性化模块，客户可以根据自身的条件和偏好选择配置不同供应商的模块或自己开发个性化模块以满足个性化需求。典型的开放式架构产品是一种模块化结构产品，由公共平台、定制模块和个性化模块组成，如图3所示。MESA等［85］认为模块化是一种有效的开发柔性平台或产品族以满足大规模个性化市场需求的工具，分析了模块化在开放式结构产品设计中的作用，提出了5种提高开放式结构产品可持续性的关键策略。顾佩华等［86］基于公理设计建立了开放式架构产品的功能域与结构域之间的映射关系，通过计算产品性能指标的变化率并根据零部件对不同类型的性能指标的影响程度来划分模块类型。比如，个人电脑就是一种开放式架构产品，允许第三方供应商开发不同的设备通过开放的 USB 接口与主板连接。早期的电脑接口功能比较单一，麦克风、软磁盘、光盘等基本上都是专用接口。随着科技和经济的发展，电脑已经得到普及，外设也越来越多，VGA、DVI和HDMI接口的通用性相对也提高了。到如今，个性化需求愈趋强烈，接口的适应性就显得尤为重要，而USB接口可以满足此需求。

3.3 开放式产品架构接口可适应设计

ZHANG等［87］认为开放式接口可以利用各种附加的功能模块来提高产品的个性化，提出了一种基于模块功能关联矩阵和质量屋的开放式接口设计方法，并应用到电动汽车的电池包配置中。TAN等［88］提出了一种考虑客户偏好的个性化产品设计架构的优化方法，构建了以客户偏好和制造成本为总体绩效指标的利润模型。MESA等［89］探讨了开放式结构产品装配/拆卸任务复杂性的评估尺度，研究了产品变体与不同模块及其接口的匹配。MA等［90］针对开放式架构产品组成模块的零件装配顺序规划和模块之间的装配顺序规划，设计了开放式架构产品模块装配顺序。

开放式客户体验是开放式架构产品的重要特征。客户体验对产品设计与改进有显著的影响，尤其对于个性化需求产品而言。顾佩华等［83］从产品的技术因素方面提出以产品的兼容性和生命周期的模块化两个关键指标来描述产品的开放特征和开放程度。ZHENG等［91］从硬件、软件和服务角度研究了开放式架构产品的特征、评价准则、开发方法和驱动共创范式。SONG等［92］提出了一种基于VR的客户交互系统，在开放式架构产品开发过程中可为客户提供近距离的真实体验，客户通过系统提供的虚拟环境界面进行虚拟操作和评估产品来审视产品设计。CHEN等［93］提出了一种考虑了产品适应性和模块多样性的开放式架构产品模块配置优化方法，通过合理规划模块类型，根据客户需求、成本和产品适应性来优化配置开放式架构产品。TAN等［94］针对产品传统开发阶段架构、工艺和供应商脱节问题，在开放式架构设计时考虑了客户偏好、工艺资源、供应商和制造成本，构建了混合整数优化模型以实现产品的最大化潜在利润。

开放式架构产品在开发过程中需适应客户需求的变化，可适应设计方法为开放式架构产品开发提供了理论支撑［95］。ZHANG等［96］研究了开放式架构可适应产品模型，基于平台、可替代的附加模块以及连接平台和模块的开放式接口，对开放式架构产品进行了优化。ZHANG等［97］提出了开放式接口建模和接口适应性量化的方法，通过对接口适应性的灵敏度分析验证了增强开放式接口适应性的方法。CHEN等［98］提出了开放式架构产品可适应设计的优化方法，建立了产品现有模块适应性和开放度的数学模型，确定适应性产品配置的最佳设计。VARL等［99］分析了个性化架构产品的可变性问题，探讨了如何应用适应性、柔性和模块化改善高度个性化的产品开发企业的运营，提出了个性化敏捷产品的开发过程框架。PENG等［100］提出了基于开源的产品概念，针对开放式架构产品的个性化设计，阐述了基于可适应设计的模块规划和接口设计方法。

基于开放式架构的产品开发已在一些领域得到初步应用，如纸袋折叠机［83］、电脑和办公座椅［84］、喷漆机［86，101］、自行车［88，91，94］、照相机［89］、减速器［90］、食品车［92］、摩擦叠焊机［93］、贴标机［96］、电动汽车电池包［97］ 、工业涂装机［98］、多功能电动汽车［100］等。开放式产品架构是一种基于分布式消费者和供应商积极参与和协作的产品设计和制造范式。由于开放式架构所涉及方法和技术相对复杂，对知识的融合和组织管理要求高，目前还处于起步阶段，对数据资源整合、交互界面開发、模块间的耦合关联关系、接口适应性以及产品架构的开放式设计方法等方面有待进一步研究。随着经济和技术的发展以及追求个性化需求的意愿增加，其应用领域必将更广泛。

4 产品架构的演化及开放式设计策略

4.1 产品架构的演化

产品架构是平台概念的扩展，是一种更深层次的协同，旨在应对产品日趋个性化与多样化的问题。随着生产模式的进步，产品架构也在演化，从单一产品架构向产品族架构再到开放式产品架构的方向演化。单一产品架构以企业为主导，强调规模效应，主要采用大规模生产方式，通过标准化、通用化和系列化的设计手段实现产品（一般作为其他产品总成的零部件）在不同总成中的充分通用。产品族架构用来平衡企业和客户，强调规模和范围效应，采用大规模定制方式和可重构/柔性制造系统，通过共享的产品平台的柔性接口集成不同的定制模块，实现不同产品变体的通用，以满足客户的多样化需求。开放式架构以客户为主导，强调规模和范围效应的同时提高产品价值与功效，采用大规模个性化方式和可重构/韧性制造系统，通过公用的产品平台的柔性接口集成不同制造商生产的定制模块和个性化模块，实现客户的个性化需求。与产品族架构相比，开放式架构具备更大的通用体系，可以实现附加模块的跨平台通用，弱化了平台之间的界限［102］。单一产品架构、产品族架构和开放式架构的特征比较如表1所示。

4.1.1 产品架构的演化方式

由前述内容和表1可知，产品架构的演化是随着生产方式、企业追求目标、客户需求等的变化发展而来的。随着从大规模生产到大规模定制再到大规模个性化模式的转变，相应的制造系统和企业的效应目标也发生了变化。SHIBATA等［103］从产品架构的进化视角分析了1962年到1997年数字控制器架构的进化史，推断出产品架构是从集成式架构到模块化架构再到开放式架构的演变，同时他们也认为，在特定情况下进化方向不完全都是严格遵循此模式的。从产品开发角度，随着客户消费理念及参与意识的提高，产品架构的策略也必须相应变革或升级。产品架构在广义上的升级、变革和转变等被统一称为架构演化，主要包括三个方面：①架构拓扑结构的演化，表现为模块化、平台化及跨平台化的转变；②架构开发策略的变化，主要表现为模块类型的接口性质变化及设计方法的调整；③架构组织管理的转变，指企业和客户主导地位的变化、客户参与产品开发过程的意愿改变等。产品架构演化方式如图4所示。

产品架构的演化是由知识技术和客户需求推动的，同时受生产方式和企业当时所处情景的影响。在产品升级过程中，产品架构的演化是一种与情景相匹配的策略［104］。模块化也是产品架构演化的一个重要因素，可以促进产品的多样性、可重构性和易升级性。模块作为最基本的产品构成单元，是一个具有“功能”的相对独立的结构体，在设计过程中要求模块具有高内聚度与模块间具有低耦合度，从而减弱模块间的复杂性。此外，模块也不是固定不变的，会随着产品的进化而改变，有些功能模块会被重新规划成少数几个集成模块。在产品架构演化过程中，模块结构的相对独立性将会越来越受重视。

4.1.2 产品架构的模块化演化

在产品架构开发过程中，当已有产品设计的模块间（包括平台架构与模块间）作用界面（亦称接口）存在局限性时，可以通过接口演化或升级来克服。不管采用哪种架构策略，（公共）平台架构一般具备多个接口，相当于总线接口，定制模块和/或个性化模块通过总线接口与平台连接［105］。定制模块除了与平台之间存在接口外，定制模块间或定制模块与个性化模块间也有接口。单一产品架构要求接口简便且标准化，便于采用大规模生产方式，但产品多样化受限。因此，在产品架构演化过程中，接口应具有更大的柔性或适应性，便于集成来源于不同制造商的附加模块，实现产品的多样化和客户的个性化需求。尤其对于开放式产品架构，定制模块因需要供客户选择配置而呈现出多样化，接口的适应性就比较突出。此外，如果接口具有较好的适应性，将有助于客户自己设计或委托开发的个性化模块装配到平台或定制模块上。

如汽车，不再仅仅作为一种出行的交通工具，已成为人们生活和工作的一部分。目前，一些汽车生产企业已认识到产品开放式创新的重要性，尝试基于开放式架构开发新一代产品。根据客户需求和型谱对各细分市场汽车进行总体方案设计，在开发初期就考虑平台间的差异性和通用性以及客户的个性化需求，规划各模块在不同平台间的变型及模块间的接口。架构战略给现代汽车开发提供了一条崭新的思路，是一种更为灵活的整车规划和研发战略，提供了更为广泛和灵活的产品规划方式，如美国通用汽车公司、日本丰田汽车公司、德国大众汽车公司、国内的上汽公司等已采用了架构战略［7］。汽车传统开发平台是一种面向产品族的平台，采用相同的动力总成和底盘结构，且共享一部分其他模块和零部件［102］，不同的传统平台之间，模块和零部件的通用性较差，即各传统平台之间是有界限的。架构平台基于共性的模块，通用性更强，它与传统产品平台的最大不同在于可以实现模块的跨平台通用。

在大多数情形下，生产企业要选择的并不是某种模式的产品架构，而是应该根据不同的客户需求对哪些功能部件采用不同类型模块的方式来处理［104］。产品族架构或开放式架构只是产品架构演化过程中的一种模式，并不表示为最终设计。在企业发展和产品升级过程中，产品架构不是一成不变的，也会在不同架构模式之间切换。不管是单一产品架构还是产品族架构或开放式架构，都是追求产品的通用化、提高开发效率、减少生产成本及满足客户需求的一种模式。如果企业实施开放式架构比产品族架构所取得的效益更差，或者说自身技术达不到，那就没有必要也没有意义去推行。因此，可以认为，实施开放式架构是有一定条件的，与企业生产产品的规模、技术团队实力、产品的用途、供应商协同能力等密切相关，此外，还需研判产品的进化趋势和客户的消费理念变化等问题。

4.2 产品架构开放式设计策略

4.2.1 开放式架构产品模块类型

在大规模个性化模式背景下，客户的差异化需求以及参与产品开发进程的意愿越来越迫切，这就需要更多的具有不同功能要求的产品来实现。为应对此问题，企业可利用一个开放式的产品架构，基于适应性接口配置可变功能模块或异质性模块以满足客户个性化的需求。大规模个性化设计是大规模定制化设计朝着面向客户参与设计过程以实现个性化需求的必然选择。面向大规模个性化客户需求的实现过程，聚焦个性化需求识别与可视化、客户体验评价、个性化设计实现等关键技术，从而构建以开放式设计平台为核心的大规模个性化设计流程。开放式架构产品在配置设计过程中需适应客户的个性化需求变化，为了使产品在保持低成本的同时满足客户个性化需求，融合可适应设计是行之有效的方法。

产品架构在一定阶段内是比较固定的，不会随着客户需求变化而轻易改动。开放式架构产品在设计、配置及使用过程中需适应客户的个性化需求变化，个性化需求驱动下的产品可适应设计已经成为企业响应市场及满足客户的重要方法。开放式架構产品由公共平台（MP）、定制模块（MC）和个性化模块（MI）组成，由于产品架构是共享的，它不依赖于附加模块，因此公共平台居主导地位，定制模块和个性化模块为从属地位，定制模块在产品开发初期可预先由企业开发以供客户选择配置，因此，模块划分和模块类型规划是开放式架构产品设计的重要环节。

在开放式架构产品模块规划时，通过分析零部件间功能结构的关联关系，利用层次分析法等方法分析各准则的相对重要度，基于聚类算法获得不同的零部件聚类方案，建立产品模块化层次结构。考虑模块间接口的强度和密度，以模块高内聚度和模块间低耦合度为优化目标，建立开放式架构产品模块的Pareto解集，优选模块方案，完成开放式架构产品的模块划分；分析零部件分类属性特征（标准件、通用件和定制件）及其装配约束关系时，利用质量功能配置计算性能指标相对客户需求的重要度，建立模块属性评价集，根据不同类型指标的影响度所占比例确定模块所属类型［105］。

4.2.2 产品架构的开放式设计策略

开放式设计立足于客户参与设计进程，基于数字孪生的产品设计强调通过产品全寿命周期的虚实融合，利用已存物理产品与虚拟产品在设计中的协同作用，通过建立“真实的”虚拟模型，不断达到虚拟产品与期望的实际设计产品的趋同性，提高设计质量和效率［106］。一部分大规模个性化产品利用堆积原理以逐层增加材料的方式生成三维实体的3D打印技术具有较大的优势。基于开放式架构，客户根据自身的个性化需求参与到信息模型的建立过程中，使客户享受最为舒适的产品和服务体验，已成为实现产品开放式设计的关键支撑技术。

此外，开放式创新设计过程往往也会继承、重用已有产品设计信息，通过构建一个提供创新设计工具、设计方法等服务的平台，可以减少设计重复性工作，能有效加快设计进程。大数据技术也改变了开放式产品开发模式与设计进程［107］，互联网环境下客户与企业设计人员需进行交互式信息互动。随着云计算、大数据技术、人工智能等新一代信息技术与先进制造技术的融合，基于云计算的设计服务平台必将受到关注，通过对设计资源的服务化封装，开放式设计服务平台可最大限度地实现资源共享与优化配置以及任务协同工作。作为开放式创新的新形态，众包模式打通了任务发包者与互联网终端大众网络节点间的供需匹配通道，是一种新的“互联网+”创新设计模式，利用众包设计可拓宽设计渠道和设计空间，提升创新设计能力和制造资源的利用效率［108］。因此，开放式设计不仅考虑产品如何生产出来，还要从管理角度去思考，如何组织、协调客户与企业订单转化，如何利用大数据挖掘工具，通过云端数据反馈的客户体验结果，开发出满足客户个性化需求的功能产品。

在此，以汽车为例简要说明产品架构开放式设计策略。年轻一代消费者对汽车个性化的要求与日俱增，这将促使汽车制造企业不仅需为客户提供使用功能，还需与客户进行情感沟通，预先判断客户的需求，避免同质化竞争，提升产品的潜力。个性化模式未来必将成为汽车产业链中重要的一环，也是汽车生产企业直通消费者而进行数字化转型的最佳路径。因此，汽车开发团队应基于整车技术、人工智能技术、互联网技术等，整合开发平台并构建开放式架构平台，建立与消费者/用户之间的连接，实现个性化需求。当前，大多数汽车企业已经建立起了完整的数字化体系，如利用虚拟样机进行装配仿真和运动仿真、应用VR/AR等数字孪生相关技术进行协同研发设计与客户需求交互、在互联网大数据时代背景下利用社会资源进行汽车设计等，通过数字孪生技术结合传统试验验证产品的适应性、识别仿真缺陷及优化产品的性能等［109］。汽车众包的推动力来源于消费者，汽车企业通过发起众包活动，征集整车外观、内饰草图和效果图等，吸引一般消费者和专业设计师的参与。如洛克汽车公司倡导汽车开放式设计理念，并构建设计师、工程师、制造商和爱好者共创汽车及相关零部件的社区，基于开放式架构平台，充分挖掘客户需求，将汽车研发的流程与客户共享，同时与零部件供应商分享产品信息，使得参与者敢于在平台上分享创意和方案［110］。

产品架构开放式设计策略如图5所示。

5 分析与讨论

本文主要以产品架构的相关文献为基础，对国内外产品架构开发模式和设计内容的研究现状进行分析与综述，概括了架构的内涵和作用，分析比较了单一产品架构、产品族架构和开放式产品架构的特征、联系和区别。单一产品架构以企业为主导，强调规模效应，主要采用大规模生产方式，通过标准化、通用化和系列化的设计手段实现产品在不同总成中的充分通用，但对客户需求的动态变化、系列产品全局与局部协同设计以及产品的可重构性考虑不足。产品族架构平衡企业和客户，强调规模和范围效应，采用大规模定制方式和可重构/柔性制造系统，通过共享的产品平台的柔性接口集成不同的定制模块，实现不同产品变体的通用，对产品设计适应性以及客户体验产品开发过程考虑不足。开放式架构以客户为主导，希望在强调规模和范围效应的同时提升产品价值与功效，可采用大规模个性化方式和可重构/韧性制造系统，通过公用的产品平台的柔性接口集成不同制造商生产的定制模块和个性化模块，这对企业具有较大的挑战性。

随着产品架构内涵的不断扩展，产品架构开发模式、设计方法、组织管理等方面的相关研究也在不断完善。产品架构不是一成不变的，而是随着新一代信息技术和先进制造技术的发展而演化。随着从大规模生产到大规模定制再到大规模个性化模式的转变，产品架构也从单一产品架构到产品族架构再到开放式产品架构的方向演化。与产品族架构相比，开放式架构具备更大的通用体系，可以实现附加模块的跨平台通用，弱化了平台之间的界限。在新一代信息技术与先进制造技术开发环境下，学科与学科、行业与行业融合的必要性和优势日渐凸显，开放式设计可以让客户参与到产品设计和制造过程中，开放式创新已成为制造企业缩短产品开发周期、提升产品价值的一种模式，可充分利用外部资源，将企业内外部技术有效地结合起来，从而实现客户个性化需求和产品创新。

当前大多数企业仍采用大规模定制或浅层个性化开发模式，离真正的个性化模式还有一定距离，产品架构的开放式设计还面临许多挑战。作为产品架构的有效支撑技术，架构模块化研究的理论成果较为丰富，有效的模块类型识别和模块划分方法有助于架构的构建。但随着工程实践中架构复杂性增加，嚴格的模块化或集成化架构有时较困难，融合模块化或集成化也是行之有效的方法。为快速响应客户需求和可变功能要求，产品架构的适应性也得到了研究者的关注。同时，产品开放式设计是一个比较复杂的任务，涉及设计方法、信息网络、架构策略以及组织管理等，需要从宏观角度提炼该领域的关键技术。今后的研究趋势包括：

（1）针对细分市场下异质性需求的产品，不同的企业采用不同的开发模式。不管是单一产品架构、产品族架构或开放式架构，它们都是产品的开发模式，旨在追求产品功能的可变性、设计效率的提高、开发成本的降低以及设计的创新。确定合适的产品架构开发模式需综合考虑产品的规模、技术团队实力、产品的用途、供应商协同能力。

（2）在大规模个性化模式下，为更好地满足个性化需求，开放式架构产品制造企业需提供不同功能的定制模块供客户选择配置，并且允许客户添加或替换由其自身或第三方制造商开发的个性化模块。因此，公共平台与附加模块之间、定制模块之间以及定制模块与个性化模块之间的接口适应性显得很重要，模块接口适应性评估需进一步研究。

（3）在产品架构设计过程中，完全独立的模块是鲜见的，模块之间往往存在着耦合关联，从而导致产品适应性更改时产生迭代，增加了产品开发周期和成本。为此，需分析不同类型模块之间的关联关系，研究模块间的耦合机理，提出耦合处理策略。

（4）新一代信息技术与先进制造技术深度融合形成的智能制造技术，推动了产品开发模式的变革，开放式设计允许客户参与到产品设计和制造过程中。开放式创新设计的理论与技术比较缺乏，导致开放式创新在产品设计中的应用所带来的比较优势不明晰，应用过程中所需攻克的问题和技术不清楚，因此，产品的开放式创新设计方法有待进一步研究。

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