机械产品模块化效益评价方法及应用

田楚楚，石 浩，顾 复，顾新建

(1.浙江大学 机械工程学院，浙江 杭州 310027；2.九阳股份有限公司 豆浆生活事业部，浙江 杭州 310018)

“批量法则”是制造业的基本法则，即产品批量越小则成本越高.但现在的用户需要个性化、多样化的产品，同时希望产品成本和价格尽可能地低，(这一要求只有大批量定制产品才能满足).“铁三角法则”也是制造业的基本法则之一，即产品成本、质量和交货期是紧密关联的(产品质量要求高了，交货期短了，成本就会高).现在的用户需要的是高质量、短交货期的产品，同时希望产品成本和价格低，即大批量定制的产品.在“批量法则”和“铁三角法则”的框架下，针对用户需求，人们提出了多种方法，如20世纪50年代的成组技术[1-3]、60～80年代的精益生产方式[4]、70年代开始推广的模块化技术[5-6]、80年代进行应用示范的计算机集成制造技术[7]，以及21世纪初的敏捷制造技术[8]、最近几年提出的工业4.0和信息物理系统(CPS)[9-10]等.这些归纳起来，主要有3种方法：①以人为中心的管理方法，如精益生产方式等，主要是通过组织和管理的优化充分调动员工的积极性和创造性，实现大批量定制；②数字化和智能化制造的方法，如计算机集成制造、敏捷制造、信息物理系统等，主要是利用信息技术的柔性、智能等实现大批量定制；③产品结构优化方法，如成组技术、模块化技术等，主要是开展产品结构优化，通过产品配置设计和变型设计进行大范围的专业化分工，从而实现大批量定制.

本文主要研究产品模块化技术，通过产品模块化设计，在提高产品质量的同时降低产品成本、缩短交货期.但产品模块化工作本身需要成本和时间，而且并不是任何产品都可使用模块化设计，因为模块化设计具有一定的投资风险.这就需要定量分析产品模块化设计能带来的具体效益，以便企业管理人员进行正确决策.由于部分指标的数据需要模块化设计实施之后才能收集，因此，在前期决策时可根据以往经验，针对产品特点进行预估，以辅助决策是否进行模块化设计.同时，每次对已有产品模块化效益评价的结果将为后续的模块化设计工作提供反馈意见.

1 机械产品模块化效益评价的参考模型

1.1 机械产品模块化效益评价的过程参考模型

机械产品品种繁多，零部件的数量多、结构变化大、生产工艺复杂、产品生命周期较长，且需要开展零部件维护和回收重用.机械产品零部件模块化设计的难度和工作量较大，需要很大投入，因此，需要开展机械产品零部件模块化效益评价.模块化设计的效益具有长期性、广泛性、间接性等特点，模块化效益评价的难度较大.目前针对模块化设计的效益评价指标和评价方法较多较杂，需要制定一套通用的机械产品零部件模块化效益评价体系，从而减少重复性工作，提高机械产品零部件模块化效益评价的一致性，推动和引导机械制造企业开展模块化设计，提高产品模块化设计水平，促进制造资源的节约和合理利用.

模块化效益评价通常是针对产品生命周期而言的，因此，在模块化设计、制造和维护阶段都需要进行模块化效益评价.

图1所示为机械产品模块化效益评价的过程参考模型.由图1可知，在产品生命周期中产品设计、制造和服务的各个阶段都可以提出模块化评价需求.例如，针对大型装备运输困难，可以通过模块化划分，分模块进行运输.产品模块化设计全过程包括模块化项目立项、控制、验收和实施，其中每一阶段都需要开展模块化效益评价工作，以保证模块化设计达到较好的效益目标.

图1 机械产品零部件模块化效益评价的过程参考模型

1.2 机械产品模块化效益评价的指标体系参考模型

产品模块化既是手段又是目标.陈惠云等根据雷达模块化效益评价中存在多重性和综合性的特点，将各项效益指标总结为军事、经济和技术三方面，进而对雷达模块化效益进行评价[11]；许洁等结合TRIZ 理论与模块化效益评价法，从质量、成本、用户满意度、环境友好性四方面将参数逐级细化，建立了电梯模块化效益评价体系[12].

本文根据机械产品模块化设计的特点，从产品生命周期平均反应时间、产品质量、产品成本、满足顾客多样化需求、环境友好性这五方面，对产品生命周期内不同阶段的模块化效益进行评价.

图2所示为机械产品模块化效益评价的指标体系参考模型.模块化目标和评价指标具有层次性的特点.企业可以根据产品情况选择其中若干指标进行组合评价，并可根据需要分解到能够进行量化计算的粒度.

2 机械产品模块化效益评价指标和方法

结合豆浆机等产品特征，在图2所示机械产品模块化效益评价指标体系的5项大指标中选择适用的小指标进行计算和评价.

2.1 产品生命周期反应时间评价

模块化产品生命周期反应时间包括从产品设计阶段到服务阶段的众多反应时间指标，具体细化的三级指标如图3所示.

图2 机械产品模块化效益评价的指标体系参考模型

图3 产品生命周期反应时间指标

因此，在计算平均反应时间时，可先对图3所示的7个三级指标进行计算，得到：

t1=t11+t12

(1)

t2=t21+t22

(2)

t3=t31+t32+t33

(3)

最后得到的产品生命周期反应时间减少量为：

T=t1+t2+t3

(4)

2.2 产品质量评价

对于产品质量的评价，孙伟等为开发机械产品设计质量评判系统，从产品工艺结构、工作性能、设计质量等方面进行了模糊综合评价[13]；刘峰用层次分析法结合模糊评价法，根据农机产品的类别、品种和型号差异，以定性和定量评价相结合的方式对产品质量进行了各个维度的评价[14].从产品生命周期来看，对于质量的评价，从产品模块化设计到模块化制造以及最终的产品使用服务阶段都需要选取指标进行评价.图4所示为细化到三级的产品质量评价指标.

产品设计质量提高率为：

图4 产品质量评价指标

(5)

产品制造和安装质量提高率为：

(6)

产品服务质量提高率为：

(7)

最终产品的生命周期质量提高率为：

(8)

式(5)-式(8)中涉及的ai和bi具体数据是针对不同产品的特点，使用层次分析法、专家打分法得到的原始数据.考虑到专家打分过程中存在的犹豫度，原始数据需要结合隶属度信息和非隶属度信息算得直觉模糊数，再结合加权算子为各项指标确定权重，即ai和bi的具体值.下文ai和bi均用同样方法得到.

2.3 产品成本评价

对模块化产品进行成本分析时，需要从产品的设计开发、生产制造、安装维修、升级维护直到最终的淘汰回收环节，进行产品生命周期成本的综合考量.王伟等对国内外模块化应用实例分析总结得出，模块化对产品成本的影响主要是模块的规模化生产效应和减少库存成本两方面[15].采用模块化设计后，从产品生命周期来看，并不是所有阶段的成本都可以降低.例如，在产品设计阶段需要进行新模块的设计，这会增加设计成本；在制造阶段用新材料去替代旧材料也会增加制造成本等.因此需要对产品生命周期模块化成本进行综合评价.其评价指标如图5所示.

图5 产品成本评价指标

2.3.1 模块化降低成本的评价

通过模块化设计来降低成本主要体现在模块化产品设计、制造、使用和维护中.大量模块属于标准和通用模块，可以重复使用和批量生产，从而降低成本.

产品设计总成本降低率为：

(9)

产品制造总成本降低率为：

(10)

产品服务总成本降低率为：

(11)

2.3.2 模块化增加成本的评价

模块化设计造成的成本增加主要体现在：①由于选择通用模块而不是专用模块所导致的材料成本增加；②进行模块化设计时设计成本的增加.

模块化设计新增成本增加率为：

(12)

因此，产品模块化总成本降低率为：

(13)

2.4 产品多样化和用户满意度评价

模块化产品的用户满意度同样可以从产品生命周期的前两个阶段分别进行评价.其具体评价指标如图6所示.

图6 客户满意度评价指标

2.4.1 产品设计阶段的客户满意度

在产品设计阶段，主要从用户参与设计导致的客户满意度提升率u11、产品多样性增加导致的客户满意度提升率u12、产品个性化导致的客户满意度提升率u13、产品变型设计能力提升导致的客户满意度提升率u14等方面考虑，进行客户满意度评价.因此，产品设计阶段的客户满意度提升率u1可表示为：

(14)

2.4.2 产品服务阶段的客户满意度

产品服务阶段的客户满意度提升率为：

(15)

最终用户满意度提升率为：

(16)

2.5 环境友好性评价

对于环境友好性的评价，通常可以从降低工业三废排放率、降低产品生命周期能耗率、降低库存浪费率、提高资源回收率四方面进行考虑.顾国刚等用LCA(生命周期评价)时间折扣计算法，计算并预测了产品生命周期内的累计碳排放量[16]；徐晨等对LED照明产品生命周期各阶段排放的量化分析后确定，使用阶段是其对环境影响最大的时期[17]；邓乾旺等以机械企业为例，用LCA成本集成思想建立绿色评价体系，从资源、环境、人为因素等多个维度进行绿色效用值计算，评价了机械产品的环境友好性[18].综合考虑机械产品的特点，本文从减少环境污染率e1、减少生命周期能耗率e2、减少生命周期资源消耗率e3、减少库存浪费率e4这四方面考虑，进行环境友好性评价.产品和过程的环境友好性评价具体指标如图7所示.

图7 产品和过程的环境友好性评价指标

减少生命周期能耗率为：

(17)

减少生命周期资源消耗率为：

(18)

其中，e35为负数.

因此，环境友好性提高率为：

(19)

3 案例分析

在豆浆机产品的研发和制造领域，中国的本土企业相比外资企业有着无可比拟的先天优势.本文以豆浆机为例，从生命周期角度对豆浆机产品的模块化效益进行评价.

3.1 豆浆机产品生命周期反应时间评价

3.1.1 豆浆机产品设计时间评价

豆浆机产品设计包括基本设计、修改设计两部分.模块化应用前后设计时间如表1所示.根据表1数据，豆浆机产品总设计时间缩短量为：

t1=t11+t12=61+28=89(d)

表1 豆浆机产品设计时间变化情况 d

3.1.2 豆浆机产品制造时间评价

根据收集的资料，豆浆机模块化设计前后平均加工时间和装配时间如表2所示.豆浆机产品总制造时间缩短量为：

t2=t21+t22=14(d)

表2 豆浆机产品制造时间变化情况 d

3.1.3 豆浆机产品服务时间评价

豆浆机属于小家电产品，结构简单，因此豆浆机的安装和拆卸时间都相当短，可以忽略不计.

根据式(4)可得，豆浆机产品生命周期反应时间减少量为：

T=t1+t2=89+14=103(d)

3.2 豆浆机产品质量评价

豆浆机产品质量提升指标是相对于模块化前而言的，因此在计算模块化设计质量提升率时，要先对模块化前后豆浆机因设计、制造、服务等产生的平均质量问题的数量进行调查统计.经调查，豆浆机在模块化设计前后，设计、制造等导致的某段时期平均质量提升率如表3所示.

表3 豆浆机产品平均质量提升率

根据式(5)，模块化设计促使的豆浆机产品设计质量提升率为：

根据式(6)，豆浆机产品制造质量提升率为：

根据式(7)，豆浆机产品服务质量提升率为：

根据式(8)，豆浆机产品生命周期质量提升率为：

3.3 豆浆机产品成本评价

产品模块化设计在豆浆机生产中应用的主要作用是减少设计成本、制造成本和产品服务成本；但同时，采用模块化设计会引起以材料成本、设计成本为主的成本增加.在具体计算中，增加的成本用负数表示.各项具体指标和各指标的降低或增加率如表4所示.

表4 各项成本的降低或增加率

根据式(9)，豆浆机设计成本降低率为：

根据式(10)，豆浆机制造成本降低率为：

根据式(11)，豆浆机服务成本降低率为：

根据式(12)，豆浆机模块化设计新增成本增加率为：

根据式(13)，豆浆机产品模块化设计总成本降低率为：

3.4 豆浆机产品满足用户多样化和个性化需求评价

为更好地响应市场需求，某豆浆机产品被设计成低端系列、中端系列和高端系列.这三大系列有不同价位的上百种产品.对各类豆浆机的销售情况、市场占有率、用户反馈问卷等数据统计处理之后，得到了表5所示的用户满意程度调查结果.

表5 用户满意程度调查结果

根据表5数据，利用式(14)计算出的豆浆机产品设计阶段的客户满意度提升率为：

利用式(15)计算出的豆浆机产品服务阶段的客户满意度提升率为：

利用式(16)计算出的豆浆机产品最终用户满意度提升率为：

3.5 提高产品和过程的环境友好性评价

豆浆机的环境友好性主要体现在，通过合并模块减少零部件种类及数量来降低产品制造能耗和使用能耗；通过提高模块重用率、材料回收率来减少工业三废排放.豆浆机产品环境友好性数据如表6所示.

表6 豆浆机产品环境友好性数据

根据式(17)，豆浆机产品减少生命周期能耗率为：

根据式(18)，豆浆机产品减少生命周期资源消耗率为：

根据式(19)，最终得到的豆浆机产品环境友好性提升率为：

4 结束语

机械产品模块化效益评价的背景是：产品模块化有很好的效益，但产品模块化需要投资和时间成本，并不是每种产品都适合模块化；产品模块化方法有很多，对这些方法的评价值得研究.

本文建立了机械产品模块化效益评价的过程参考模型，说明了机械产品模块化效益评价的目标、分析方法和主要环节.

本文建立了机械产品模块化效益评价的指标体系参考模型，从产品生命周期的时间、成本、质量、用户满意度、环境友好性这5个指标出发，对机械产品模块化效益进行综合评价.企业可以根据产品情况选择若干指标进行组合评价，并可根据需要分解到能够进行量化计算的粒度.

最后以豆浆机为例对机械产品模块化效益评价指标和评价方法进行了可行性验证.