一种基于灰色关联度的产品/服务集成设计方法

杨 旭，李文强

（四川大学制造科学与工程学院，四川 成都 610065）

1 引言

产品服务系统（productservicesystem，PSS）作为一种创新策略[1]旨在满足制造业差异化竞争需求、用户对服务的需求等，其核心思想是在物理产品的全生命周期中融入服务元素，为顾客提供一体化解决方案。在PSS的设计中，将有形产品与无形服务相结合可提高企业竞争力，从而实现企业的可持续发展，且能更好的满足顾客需求[2]。因此，如何实现产品与服务的有效集成是PSS设计急需解决的问题。随着学术界对PSS的不断深入研究，国内外学者提出了多种产品/服务集成的设计方法与理论框架。文献[3-4]探讨了功能-服务-结构之间的交互关系，建立了服务模型，并将该模型与产品结构设计相结合，实现了产品与服务的集成设计；文献[5]采用功能-活动交互矩阵提取了服务与产品的交叉属性及属性特征，并根据这些属性实现了PSS的方案设计；文献[6]以用户为中心基于QFD理论框架采用FAST、UCD等方法分析了PSS设计过程；文献[7]基于TRIZ理想解和功能激励，分析了从产品到PSS的进化过程，实现了不同进化方向下产品服务系统的创新设计；文献[8]从功能角度对系统进行了模块划分，并通过相关性矩阵确定相关联的产品模块与服务模块，对相关联的模块进行集成设计；文献[9-11]对PSS理论和关键技术进行了归纳，提出了面向服务的产品设计方法体系。

上述研究考虑了有形产品与无形服务间的映射关系，以功能为载体实现了产品与服务的集成，但忽略了产品/服务系统中服务化程度与系统价值类型的关系，缺少对产品/服务集成设计价值增值方向的研究，且在产品到产品/服务系统进化过程中，没有系统性的考虑到价值链相关者与功能实现活动间的关系。针对上述问题，提出了一种基于灰色关联的产品/服务集成设计方法，从产品与服务的比重关系出发，采用灰色关联度模型分析系统价值类型，获取产品增值的最佳设计方向。并基于相关顾客需求，采用动力学模型构建系统功能，以功能实现活动为载体，形成产品与服务的匹配关系，实现产品与服务的有效集成。

2 集成产品/服务的设计方法与过程模型

相比于功能-服务-结构的集成设计方法，提出的集成过程包含产品/服务集成设计方向选择、产品/服务系统功能分析、系统方案设计三个步骤。设计框架，如图1所示。设计方向是对企业向顾客交付的价值形式的客观描述，反映的是产品/服务系统的价值类型，即设计方向反映的是能实现企业经济效益与顾客满意度相对最大化的设计环境；系统功能是表达设计者与顾客主观意图的载体；功能实现过程是对设计者与顾客主观意图实现过程的客观描述，反映的是功能实现活动执行者的服务行为；设计方案反映的是支撑服务行为的物理结构，即基于服务行为的产品结构方案。由于相同的功能在不同的环境下具有不同的服务行为，因此，以设计方向的选择为开端，借助灰色关联度模型、动力学模型和产品/服务集成模型，实现了环境-功能-服务-结构的产品/服务集成设计。

图1 集成设计框架Fig.1 Integrated Design Framework

2.1 产品/服务集成设计方向选择

设计方向是对企业向顾客交付的价值形式的客观描述，反映的是产品/服务系统的价值类型。采用Tukkery的系统价值分类方式，根据产品和服务的比重关系将系统价值类型分为产品导向型、使用导向型和服务导向型。由文献[12]可知，当服务占比a∈（0，1/3］时系统为产品导向型；当 a∈（1/3，2/3］时系统为使用导向型；当a∈（2/3，1］时系统为服务导向型。值得注意的是，从设计者角度出发，当a=0或1时，均不符合产品/服务系统的定义，因此，取开区间a∈（0，1）。上述范围明确但具体取值不明确的问题属于灰色问题[13]，因此，采用灰色关联方法建立灰色关联度模型[14]，定性分析PSS中服务占比，从而确定系统类型即产品/服务的集成设计方向。

（1）确定服务占比a的备选集：为确保抽样点（备选元素）在整个分布区间均匀分布，对三个子区间分别进行独立的等距抽样，由这些样本点构成 a 的备选集。A=（a1，a2，…，an） （1）

（2）服务占比是选择系统类型的重要指标，因此，在系统设计中，需要综合考虑体现服务价值的各相关因素，所有因素构成主因子集合：B=（b1，b2，…，bm） （2）

（3）为了权衡不同因子的重要程度，通过专家打分，得到所有因子指标权重集：C=（c1，c2，…，cn） （3）

（4）根据不同a值在每个因子方面的差异，请有关专家按十分制打分，得初始评价矩阵D0，考虑各因子权重影响，对D0做加权处理得到加权矩阵D1，最后对D1各列分别做归一化处理，得到因子评价矩阵D：

根据矩阵D选出各因子（各列）最佳值，组成最优参考评价向量 E：E=（e1，e2，…，em） （7）

（5）求矩阵D各行向量与最优参考评价向量的灰色关联度：

式中：ρ—分辨系数，其取值范围为（0，1），一般取 ρ=0.5。

得到关联度集合：ri=（r1，r2，…，rn），其中，关联度集合元素与服务占比备选集A的元素存在一一对应的关系。最后，根据最大关联原则，选取最佳服务比重区间。

2.2 产品/服务系统功能分析

产品功能表达的是产品设计的目的，是一个相对主观的概念，向上表达为设计者的意图，向下映射为设计对象[15]。系统功能是指对能量流、物质流、信号流进行传送和变换的程序、功效与能力的抽象化描述[16]，也是对顾客需求的抽象化描述。因此，系统功能的分析过程就是顾客需求到系统性能（包含功能及功能实现程度）的传递过程，采用动力学模型实现该传递过程，如图2所示。

用户、设计者和制造商与系统功能设计过程直接相关，且系统功能源于顾客需求映射，因此，用户、设计者和制造商对功能满意度评价权重 ωi分别为 0.4，0.3，0.3，并将满意度（s）分为赞同（1）、一般（0.5）和不赞同（0）三个等级。通过加权处理，获得功能满意度：S=siωi（9）

当顾客对某功能满意度为0时，该功能最大满意度S=0+1*0.3+1*0.3=0.6。因此，取功能满意度临界值 0.6，即：S≤0.6，对应功能不符合顾客需求。

①根据用户需求映射获得系统功能，并对该功能进行满意度评价，若满意度Sf≤0.6则舍弃该功能；若Sf＞0.6，则保留，添加至期望功能。②对步骤①获取的功能进行性能特征提取，得到相关未覆盖性能特征；③若期望功能满意度SF≤0.6，则使其与步骤②得出的相关特征通过映射得到新的需求，重复步骤①②③；当SF＞0.6时，循环1结束，得到较为理想的功能；④通过功能实现过程决策反馈回路将步骤③的功能重新进行循环，重复前述步骤，直至反馈回路循环得出数据与上一次吻合，循环结束并得到现实功能。

图2 功能分析模型Fig.2 Function Analysis Model

2.3 系统方案设计

设计方案是基于服务行为的物理产品概念结构方案，是对支撑功能实现活动过程的方法、途径的结构模块及模块间关系的描述。因此，为了更高效、全面的实现系统方案设计，首先需要一种有效的表达方式来表现服务行为（功能实现活动过程）与产品结构间的匹配关系，以获取服务行为的支撑结构，进而对这些结构模块间的关系进行设计，形成系统方案。

为了实现服务与产品结构模块的匹配，将黑箱法和IDEFO功能描述方法相结合，将功能实现活动过程分解为一系列活动（A1、A2、…、An），建立包含功能实现活动、功能实现载体的产品/服务集成模型，如图3所示。该产品服务建模方法中，方框表示功能实现活动，左/右端分别表示活动的输入/输出（即活动与活动间的物质、能量、信息传递），上端表示活动的约束及控制，下端表示实现该活动的产品支撑结构组件（Structure Component，SC）。

产品/服务集成模型，通过各活动模块的输入、输出、控制与约束以及支撑结构来描述它们之间的关系，并以活动流程走向为设计路线，如图3所示。最后，根据各活动执行过程中支撑模块间的关系，构建产品/服务系统方案模型。产品/服务方案模型包括现有结构方案和基于功能实现活动（服务活动）的新增结构方案，二者之间存在约束关系。

图3 产品/服务集成模型Fig.3 The Model Integrated Product and Service

3 设计实例

豆浆机作为一种典型的家电产品占据着重要的市场地位，为实现其可持续发展，提升该产品制造业核心竞争力，采用上述方法对现有豆浆机进行PSS模式下的再设计，以验证上述过程的有效性。

3.1 设计方向选择

根据 2.1 节定义：A1=（0，1/3］，A2=（1/3，2/3］，A3=（2/3，1］对各子区间进行独立的等距抽样。将A1，A2，A3分别划分为n个小区间Aij（i=1，2，3；j=1，2，…，n），从每个小区间选取一个元素代表该区间。对各子区间抽取两个样本点进行实例设计，即n=2，并选取每个小区间中间元素代表该区间。则有取备选元素集：

A=（1/12，3/12，5/12，7/12，9/12，11/12） （10）

基于SERVQUAL模型，将PSS中的服务价值归为可靠价值、时效价值、柔性价值、社会价值和经济价值[18]。因此，与服务评价相关的主因子集合为：

B=（可靠价值，时效价值，柔性价值，社会价值，经济价值）

通过专家打分，得主因子指标权重集：

考虑权重，并按各列归一化处理后的主因子评价矩阵为：

最优参考评价向量为：E=（0.25，0.21，0.22，0.22，0.18）

由式（8）得关联度集为：r=（0.71，0.76，0.87，0.83，0.74，0.69）

显然，当服务占比a∈（1/3，2/3］时，关联度相对较大。根据最大关联度原则，服务占比的最佳取值属于区间（1/3，2/3］。因此，豆浆机再设计的新系统类型为使用导向型（即共享豆浆机）。

3.2 功能分析

豆浆机在具备切割、加热这些基本功能外还可根据2.2节动力学模型扩展其他产品概念；由于使用导向型系统强调产品的使用过程，因此，从功能实现活动角度定义该环境下顾客的初始需求N1：方便快捷，即用即取；通过映射得其期望功能F1：定位、使用权限；SF＞0.6，对F1进行性能特征提取：收费方式，因此，可通过映射得出新的需求N2：根据获得豆浆体积进行收费；通过映射1得期望功能F2：体积测量，移动支付；SF＞0.6，循环1结束，得到满意的期望功能F=F0+F1+F2（即：切割+加热+使用权限+体积测量+移动支付）；各子功能满意度评价表与期望功能满意度评价表，如表1、表2所示。

表1 子功能满意度Tab.1 The Satisfaction of Sub-Function

表2 期望功能满意度Tab.2 The Satisfaction of Expected Function

3.3 系统方案设计

根据2.3节，采用黑箱法和IDEFO功能描述方法，基于系统功能构建表达服务实现过程及实现方法的共享豆浆机结构-服务模型，如图4所示。获得使用权及移动支付活动A1—顾客通过手机APP输入触发信号，并向后台服务器发送当前位置信息，服务器通过豆浆机GPS定位模块获取顾客附近豆浆机位置并将该位置信息反馈给顾客。顾客通过手机APP扫描二维码识别当前豆浆机，向后台服务器发送使用权请求信号，并选择需求量，按量付费。A3—后台服务器向豆浆机发送指令，进料口开启，通过特定传感器测量进料口流量，控制器控制进料口开启闭合。豆浆机制浆活动A4：进料结束后控制器向后台发送进料结束信号，服务器向豆浆机发送工作指令，豆浆机开始制浆，并在制浆结束后向后台服务器发送工作完成指令，后台服务器接收制浆结束指令后向豆浆机发送指令，豆浆机出浆口自动控制阀打开。按下停止按钮后，自动控制阀关闭，完成系统服务过程。由于活动1启动后，系统后台服务器开始运行，因此，定义A2为监控活动。根据图4功能实现活动的支撑资源，其系统方案，如图5所示。

图4 共享豆浆机集成模型Fig.4 The Integrated Model of Shared Soymilk Machine

图5 共享豆浆机系统设计方案Fig.5 The Design Scheme of Shared Soymilk Machine System

4 结论

PSS通过将有形产品与无形服务进行整体考虑，协同实现用户的设计功能以适应动态市场的需求。提出了一种产品/服务集成设计过程模型并在其基础上建立了产品/服务集成设计方法，实现了产品与服务的有效集成。主要工作包括：（1）以顾客满意度与企业经济效益为驱动，将灰色关联理论引入产品/服务系统的设计过程，研究了产品/服务集成设计中产品与服务的组合关系。（2）基于产品/服务设计过程的动力学模型，构建了由顾客需求到产品系统性能（包含功能及功能实现程度）的传递过程。（3）建立了包含功能实现活动、功能实现载体的产品/服务集成模式，采用IDEFO功能描述方法与黑箱法实现产品与服务的匹配，从而获得系统设计方案。