产品模块化率评估指标和方法研究

顾新建，田楚楚,2，杨青海，石 浩 ，顾 复，陈芨熙

(1.浙江大学 机械工程学院，浙江 杭州 310027；2.浙江每日互动网络科技股份有限公司 b2d-研发部，浙江 杭州 310018；3.中国标准化研究院 高新技术标准化研究所,北京 100191)

已经到来的新一轮工业革命，在德国叫“工业4.0”、在美国被称为“工业互联网”.其目标是实现大规模定制，即：产品是多样化和个性化的，但其制造成本、效率和速度与大批量生产相差无几.实现大规模定制的方法主要是智能制造和大范围的专业化分工.对于许多产品，如机械类、家电类、家具类、建筑类等产品，实现大规模定制的有效方法之一是对多样化和个性化产品中的零部件进行模块化，目标是提高零部件通用化和标准化程度，有效支持深度的专业化分工，形成较大的零部件成组批量，以便采用面向大批量生产的专业化自动生产线进行加工；少数的专用零部件可采用智能制造方法进行加工，从而达到大规模定制的目的.

模块化设计作为一种设计方法，近几年日益受到人们的重视，随着模块化技术逐渐成熟，其应用范围逐步扩大，已经在许多行业的应用中取得显著的经济效益.模块化是实现大规模定制的主要方法，也是新一轮工业革命的基础之一.模块化在新一轮科技革命中依然具有重要价值.模块化设计的直接目标是实现产品结构优化(它可以用模块化率指标进行评估)，其最终目标是提高企业的经济效益和环境友好性.产品模块化的经济效益和环境友好性评估已经在文献[1]中进行讨论.本文主要讨论产品模块化率的评估指标和方法.模块化率通常与产品模块化的经济效益和环境友好性正相关.模块化率又称模块化程度.

模块化率评估的需求主要体现在：①在模块化立项阶段，需要了解模块化可能会优化到什么深度；②在模块化实施阶段，需要考虑如何提高产品的模块化率；③在模块化设计完成阶段，需要评估产品的模块化率.模块化率评估是模块化设计的重要环节，有助于减少模块化的盲目性.一个全面科学合理的模块化率评估指标体系可以有效支持企业的模块化工作决策.模块化率评估结果的反馈，使得模块化设计过程成为一个闭环，有利于不断提高企业模块化产品的质量和用户满意度.

国内外学者曾对模块化率评估进行过研究.刘夫云等采用复杂网络理论对产品模块化率进行了比较分析，但所导出的模块化率评估参数还不够直观，工程应用较难[2].吴焕民等采用模块独立性指标，基于模糊聚类方法进行产品模块分解，但其评估指标比较单一，不能全面反映模块化情况[3].WEI等提出一种支持产品平台设计的多准则模块分解方法[4].这里的模块化评估准则主要是模块独立性和可靠性.刘丽萍从模块化设计思想出发，对模块的标准化程度评估方法进行探讨，研究了模块化产品结构和产品继承性的分析方法[5].安苗苗基于情感化设计，选定本能、行为、反思层的不同指标，通过模糊层次分析法得到了手机模块化率评估结果，并对手机模块化设计体系进行了系统评估[6].其中存在大量专家打分情况，评估结论的主观程度偏大.王玉豪分析模块化产品设计评估指标后建立层次评估模型，对模块化产品设计的个性化程度进行评估，在多个设计方案中选出了最优的模块化产品设计方案[7].该方法需要在模块化设计前期收集大量用户需求数据，同时其降低了设计人员意见所占权重，导致模块化设计工作的难度加大.单泉等以产品定制度和用户满意度为准则，对定制产品的模块化进行评估，其评估指标较为单一，缺乏综合性评估[8].张雪等从缩短制造周期、降本增效的角度出发，对国内外船舶模块化建造方法进行评估[9].其评估方法专门针对船舶制造领域，对其他机械模块化率评估的通用性不足.STANKIEWICZ等提出的基于单独区分网络元素的模块建模评估方法，侧重于对模块建模方法的评估[10].GRIMMELIUS通过模块化空调器的早期故障评估信息反馈来减少设计失误，而缺乏对模块化空调器生命周期的整体评估[11].

本文基于相关文献，拟提出模块化率评估指标体系，并针对其中各指标提出具体的计算方法，以期实现产品模块化率的定量评估.

1 模块化过程与模块化率评估

模块化率评估是围绕模块化过程展开的.模块化过程包括模块化设计、制造、装配、维护和回收等产品生命周期各环节，其中模块化设计是模块化的关键.

模块化设计主要包括：①对产品中的模块进行分解；②对产品通用模块和配置方法进行标准化处理，并建立模块化平台；③针对个性化订单，开展基于模块化平台的配置设计和变型设计.模块化率评估指标与模块化产品设计的优化目标直接相关.

1.1 模块分解阶段的模块化率评估

产品的模块分解，首先需要开展市场调研，收集并预测客户需求，然后提出产品总体设计要求，再将产品划分为若干功能和结构单元，确定模块分解方案[12].通常采用先整体后局部，先主要后次要，先功能后结构的分解顺序，对产品进行模块分解.首先分解核心模块，然后再划分其他次要的模块，最后处理那些辅助性模块.图1所示为产品模块树型结构分解示意图.

图1 产品模块树型结构分解示意图

例如，最初的计算机是整体式架构，其设计和维护难度很大.在20世纪60年代，IBM公司实现了计算机模块化.其模块可分别开发和设计，使计算机技术得到迅速发展.同时，计算机的模块化导致硅谷的诞生，出现了许许多多有能力开发计算机不同模块的创新型小企业[13].

模块分解的优化目标是：模块间的关联度(又称聚合度)要尽可能小，模块内各零部件的关联度要尽可能大(图2).因此，在产品模块分解阶段，模块化率的评估指标是模块独立性和模块封装性.

图2 产品模块分解的优化目标

1.2 模块通用化和标准化阶段的模块化率评估

在模块通用化和标准化阶段，需要对不同产品的相似模块进行建模，使尽可能多的模块实现通用化和标准化，以提高模块批量.这里，建模的主要工作包括：首先识别不同产品中的模块相似性，确定模块的少量主参数(主参数少则容易控制)；然后通过主参数控制其他模块参数的变化，建立模块主模型(包括模块主图和事物特性表)，将模块接口标准化，设计支持模块配置的产品主结构等；最终构成模块化设计平台.

产品模块通用化和标准化的优化目标是：提高模块的通用化程度，尽可能将专用模块转变为通用模块，而将通用模块转变为标准模块，以降低生产成本.该阶段的模块化率评估指标为模块的通用性(图3).

图3 产品模块通用化和标准化阶段的模块化率评估指标

1.3 产品配置和变型设计阶段的模块化率评估

在建立模块化产品设计平台的基础上，可根据用户个性化需求，在用户订单到达后快速进行基于产品主结构的产品配置设计[14]和基于产品主模型的变型设计[15].基于产品主结构的产品配置设计优化目标是：用尽可能少的通用模块配置尽可能多的产品变型.基于产品主模型的产品变型设计优化目标是：产品模块的变化在尽可能小的范围内，满足用户尽可能多的个性化需求.

因此，在产品配置和变型设计阶段，模块化率评估指标为：所配置和变型的不同产品数量的增加率、所配置和变型产品中不同模块数量的减少率等(图4).

图4 产品配置和变型设计阶段的模块化率评估指标

1.4 模块化率评估指标体系

将上述3个阶段的模块化率评估指标集中在一起，可得图5所示的产品模块化率评估指标.对于企业，5个指标还是偏多.对指标间的相关性分析可知，模块独立性和模块封装性这两个指标高度相关；而模块通用性直接影响所配置和变型的不同产品数量的增加率、所配置和变型产品中不同模块的减少率这两个指标.因此，产品模块化率评估指标可最终选取模块独立性和模块通用性这两个评估指标.

图5 产品模块化率评估指标

2 模块化率评估指标计算方法

2.1 模块独立性评估算法

模块的独立性是指模块功能提高对产品其他模块的影响度.模块独立性越强，模块功能改善对产品其他模块的影响越小.

记模块i与模块j的关联度为ki,j，且ki,j取值在0到1之间，其中1≤i，j≤q，则产品中q个模块之间的关联度(Module Correlation,MC)为：

(1)

模块独立性 (Module Independence,MI)与模块功能关联度MC的关系为：

MI=1-MC

(2)

2.2 模块通用性评估算法

模块的通用性(Module Universality,MU)(又称模块通用率、可重用性、可再用性、可复用性等)可以通过模块在不同产品中的使用频率来评估.

模块通用性评估方法有多种，按照所依据数据从少到多、计算难度从小到大，依次为：基于通用模块数量的模块通用性评估，基于通用模块价值的模块通用性评估，基于重复使用次数的模块通用性评估，基于重复使用次数和模块价值的模块通用性评估.

2.2.1 基于通用模块数量的模块通用性评估

已知产品族中不同产品的通用模块种类数TM和产品族中不同零部件种类数TP，则基于通用模块数量的通用性为：

MU1=TM/TP

(3)

显然，TM≤TP，当产品中不同零部件都为通用模块时，模块通用性为1.

这里，至少在两种不同产品中使用的模块称为通用模块.

2.2.2 基于通用模块价值的模块通用性评估

已知产品族中不同产品的通用模块总价值TMV和不同产品的总价值TPV，则基于通用模块价值的模块通用性为：

MU2=TMV/TPV

(4)

显然，当产品族中不同产品的零部件都为通用模块时，模块通用性为1.通用性并不与产品的价值完全一致.

例如，汽车底盘和标准螺栓都是通用件，但两者的价值显著不同.

2.2.3 基于重复使用次数的模块通用性评估

通过提高模块在不同产品中的重复使用次数，可提高模块通用性和覆盖率.通用模块在产品族的不同产品中使用次数越多，模块通用性越强，成本就越低.

记通用模块h在产品p中使用时kh,p=1，不使用时kh,p=0，有1≤h≤f，1≤p≤g，其中f为通用模块数，g为不同产品数，并设l为不同的零部件数，f≤l，则基于重复使用次数的模块通用性为：

(5)

显然，当所有的零部件都为通用模块，并且在所有产品中都应用的话，模块通用性为1.

2.2.4 基于重复使用次数和模块价值的模块通用

性评估

通过模块在产品族的不同产品中的重复使用次数进行评估，并同时考虑模块的价值.

记模块h的价值为Vh，则基于重复使用次数和模块价值的模块通用性为：

(6)

3 案例分析

本文通过对家用豆浆机产品的模块化率的评估来验证论文提出的方法[16].

3.1 家用豆浆机模块分解

图6所示为家用豆浆机的结构示意图.

图6 家用豆浆机的结构示意图

家用豆浆机的模块分解结果如图7所示.

图7 家用豆浆机的模块分解结果

3.2 家用豆浆机模块化率评估

3.2.1 家用豆浆机模块的独立性评估

根据家用豆浆机模块在结构和功能上的相互影响，对模块间的关联度进行0～1的打分，“0”分表示两模块在结构连接和功能上都毫无关系，“1”分表示在结构连接和功能上都是强相关，从而得到表1所示的家用豆浆机模块之间的关联度.

表1 家用豆浆机模块之间的关联度

关联度定义说明：完全关联：ki,j=1；强关联：0.8≤ki,j<1；有关联：0.2≤ki,j<0.8；弱关联：0

根据式(1)和表1数据计算可得，家用豆浆机各模块的关联度为MC=0.36.通过式(2)得到的模块独立性为：MI=0.64.

3.2.2 家用豆浆机模块的通用性评估

采用基于通用模块数量的通用性评估方法.家用豆浆机各系统中总模块、通用模块、标准模块和专用模块的具体分布如表2所示.这里，可将标准模块归纳在通用模块中进行计算.

表2 家用豆浆机模块类型分布

根据表2数据，利用式(3)可算得：MU1=88/144=61.1%.

4 结束语

本文建立了产品模块化率评估指标体系参考模型，在综合考虑评估指标相对独立性、普遍适用性、综合性的前提下，提出基于模块独立性、通用性、封装性、产品种类的增加率、新增零件数减少率等5个指标的模块化率评估方法，并在此基础上，将5个指标压缩为模块独立性和通用性两个指标，对产品模块化率进行综合评估.

最后以家用豆浆机为例，对产品模块化率评估指标及评估方法进行了可行性验证.