基于GBOM的完整产品总体设计方案配置研究

基于GBOM的完整产品总体设计方案配置研究*张在房褚学宁高健鹰(上海交通大学机械与动力工程学院，上海200240)摘要：面向融合有形产品与无形服务的完整产品总体设计方案开发，提出了基于通用物料明细（GenericBill-of-Materials，GBOM）表达的完整产品变量化配置模型。分析了完整产品及其总体方案配置设计的内涵与概念，建立了基于GBOM的完整产品结构表达。利用质量功能配置方法实现了客户需求向完整产品结构的映射，在成本与设计约束下优化了总体设计方案的产品规格与模块性能定位。给出了方案配置的多约束定义，基于变量化配置建立了层次化完整产品总体方案配置设计模型。昀后给出了水平定向钻机完整产品总体设计方案的配置实例，验证了所提方法的可行性。关键词：产品服务系统；完整产品；通用物料明细；总体设计方案；质量功能配置中图分类号：TH122;TP391.7文献标识码：AResearchonoveralldesignalternativedeploymentoffullproductbasedonGBOMZHANGZai-fang,CHUXue-ning,GAOJian-ying(Sch.ofMechanical&PowerEng.,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200240,China)Abstract：Foroveralldesignalternativedevelopmentoffullproductwhichintegratedtangibleproductsandintangibleservices,avariantconfigurationmethodbasedongenericbill-of-materials(GBOM)isproposed.Theconceptoffullproductandconfigurationdesignarealsoanalyzed.BasedonGBOM,thestructureoffullproductisbuiltforitsconceptualdesign.Thecustomerrequirementsaremappedintodesignprocessbyqualityfunctiondeployment(QFD),throughwhichproductspecificationandmoduleperformanceareoptimizedundertheconstraintsofcostsanddesignrequirements.Hierarchicaldeploymentmodelispresentedbyusingtheapproachofvariabledeploymentwithconfigurationconstraints.Theproposedapproachisappliedinareal-worldexampleofproductdevelopmentofhorizontaldirectionaldrillingmachine.Keywords：productservicesystem;fullproduct;genericbillofmaterials;outlinedesignscheme;qualityfunctiondeployment收稿日期：2008-02-27；修订日期：。Received:February27,2008;Accepted:基金项目：上海市重大科技攻关项目（04dz11005），国家自然科学基金项目（50375097）。Foundationitem:ProjectsupportedbyShanghaiGrandScienceandTechnologyResearchFoundation,China(No.04dz11005),andtheNationalNaturalScienceFoundation,China(No.50375097)作者简介：张在房(1978-)，男，山东临朐人，上海交通大学机械与动力工程学院工业工程与物流管理系博士研究生，主要从事复杂产品开发与生命周期管理等的研究。通信作者：褚学宁（1961-），男，安徽合肥人，上海交通大学机械与动力工程学院工业工程与物流管理系教授、博士生导师，主要从事制造信息工程、产品服务和企业知识工程等的研究。E-mail:[e-mail]。0引言产品服务系统（ProductServiceSystems，PSS）是一种新型的产品生产/消费的支持系统，由产品、服务及其支撑网络组成[1]。产品服务系统能够更好地满足顾客需求，降低人类生产/消费活动对环境的影响，有效促进产品生产/消费的可持续性。在产品服务系统的理念、体系框架、对制造企业的影响等方面已有较深入的研究。Mont研究了产品服务系统的内涵，提出了面向结果或用户的服务月理念[1]。Aurich讨论了面向售后服务的技术类产品服务系统理念，并提出基于成组技术的产品与服务集成设计[2]。Sakao开发了服务浏览器进行产品与服务集成设计[3]。Cook研究了产品服务系统对美国制造企业的影响及企业生产模式需要做出的转变[4]。作为产品服务系统的核心，完整产品（Fullproduct，FP）由产品与服务组成，相较于传统产品设计，服务的引入带来了设计理念与方法的变化，需要进行产品与服务的并行设计、协调优化。因此在完整产品的集成设计理论方法、总体方案设计与优选、并行的详细设计等方面应开展深入的研究。配置设计是产品开发的一种通用方法，采用基于产品族的设计模式，通过共享通用产品或服务模块减少内部多样化，降低生产成本，并利用模块的组合生成满足客户需求的外部多样化产品，同样适用于完整产品的总体方案设计。在有形产品配置设计方面，Hergge等提出了通用物料明细（GenericBill-of-Materials，GBOM）方法，可利用有限数据描述大量产品种类，用一个通用产品结构树来表达产品族，同时保持BOM的结构信息[6]。王世伟、高健鹰等分别以电梯、水平定向钻机机械结构为例，讨论了基于GBOM的产品配置模型[7-8]。面向融合有形产品与无形服务的完整产品，必须将传统的变量化配置方法从仅面向单一有形产品扩展到产品与服务的方案配置，通过约束下不同产品与服务组合对客户需求或设计要求的不同满足，统筹分析以进行产品与服务的集成设计，从而实现完整产品的方案设计。针对完整产品总体方案设计这一新问题，以水平定向钻机（HorizontalDirectionalDrilling,HDD）完整产品为例，基于GBOM建立HDD的结构表达；利用质量功能配置（QualityFunctionDeployment,QFD）技术，将客户需求映射到完整产品模块；基于变量配置技术表达模块的选配知识，建立总体方案的GBOM变量化配置模型。1基本概念完整产品分为有形产品与无形服务。有形产品具有可感知的物理特征，如质量、形状、规格等，可以先设计制造，然后存贮、销售与使用。无形服务则是由一系列的服务活动组成，不具有有形的物理特征，服务的生产消费必须同时进行。产品与服务具有内在关联性，产品决定了服务的形式与功能，而服务也影响着产品的使用效率和运行质量。产品与服务的结合，对于制造商来讲，服务的融入可以进一步满足客户个性化需求，提高产品的差异性和竞争力，增加附加值，带来更大的利润和市场份额，与服务增强（ServiceEnhancement，SE）理念相同[9]。对于客户来讲，通过服务可以使其动态多变的需求得到满足，帮助客户提高产品的使用效率与工作可靠性，从而昀大限度发挥产品效能，为客户获得更多效益。目前产品设计大多都是集中在有形产品上，缺少从产品与服务融合的整体角度来研究有关完整产品的系统化设计方法或支撑技术。由于需要考虑服务以及服务与产品之间的关系，完整产品设计方法较传统有形产品设计方法有了一些新的特点，例如，产品/服务的完整统一的描述，产品/服务之月间的内在关系和相互影响，产品/服务的集成设计方法等。在整个设计过程中，完整产品总体方案的配置设计是重要环节之一。图1是其示意模型，通过划分完整产品的层次化模块，聚类若干不同定位需求的客户群，利用模块的不同配置组合可获得满足客户个性化需求的产品。1有形产品11部件21模块111子部件...112子部件11n子部件...211子模块212子模块21n子模块..................2无形服务......完整产品...1111零件客户群1客户群2客户群nz完整产品配置设计图1完整产品的配置设计模型2完整产品设计方案配置模型2.1基于GBOM的完整产品结构表达产品族是指具有相似的产品结构、零部件功能与市场定位的一类产品或产品集合[10]。产品族通常利用产品结构树表示，族中不同的产品实例可以共享通用的技术、模块与配置机制，并可以根据客户需求通过附加新的功能模块、模块替换与变型，形成满足不同需求的产品实例。完整产品的模块划分是建立GBOM结构表达的基础。划分原则是保证模块间的低耦合性与模块内的强关联性，通常采用功能分解、模糊聚类等方法。GBOM是一种表示产品族结构的方法[6]。在GBOM中，把一系列相似零件、部件或服务组成的集合称为类单元，而已定制完成的节点称为实例单元。GBOM描述了产品族所有可能变化的范围，通过GBOM中类单元的组合、替换和变型进行实例化，派生出满足设计要求的实例单元。考虑到零部件ID的唯一性和数据的一致性原则，对GBOM中的类单元与实例单元的命名进行区分。类单元具有通用指代特性，实例单元具有具体指代特性。每一个单元节点具有自身特有的属性，比如规格、生产厂家、材料、成本、性能评价等。完整产品的每个模块在GBOM中为一个节点，GBOM中间节点代表模块，叶节点代表一个零部件或服务子单元。考虑到总体方案设计的复杂度及实际需要，一般GBOM节点不划分到产品结构的底层，即零件层，通常在模块已满足设计要求且清楚定义自身的规格、性能等属性时即不再分解。类单元，可以由配置和/或创新设计生成该单元的实例；实例单元，表示已经设计完成的结构单元。这种产品结构的组织方式既可以支持已有设计结果（实例单元）的继承和重用，又可以支持新型单元（类单元）通过配置或再次设计形成变型[8]。月2.2客户需求---完整产品结构的映射在进行完整产品总体方案的配置设计之前，利用QFD方法将客户需求（CustomerRequirements,CRs）映射到HDD完整产品的工程特征（EngineeringCharacteristics,ECs）与产品结构（表现为具体的产品模块）。具体步骤如下：（1）确定主要的客户需求、关键的工程特征与产品模块；（2）确定客户需求的相对重要度；（3）建立客户需求与工程特征及工程特征自身的关联矩阵；（4）确定竞争对手的工程特征及其客户满意度；（5）建立客户满意度与产品规格的关系方程；（6）确定产品规格相关的开发成本，以成本与规格变化范围为约束，优化拟开发产品的产品规格；（7）通过加权计算确定产品性能指标的定位；（8）建立产品性能与产品模块及产品模块自身的关联矩阵；（9）通过加权计算确定关键产品模块及其定位。客户需求分为通用客户需求与个性客户需求，可依据市场调研汇总，其重要度可利用层次分析法或专家决策方法确定。通用客户需求是系列产品开发的公共基础，而个性需求则是在系列内不同定制产品需要进一步考虑的特殊设计要求。完整产品工程特征包括产品规格与产品性能指标两部分。依据客户需求与产品特点，可确定关键的产品规格(Specifications)与产品性能指标(Performance)。客户需求与产品规格间及产品规格自身存在的关联关系，利用回归方法可以建立其定量化表达方程；在成本与规格自身取值范围等约束下，利用模糊规划方法可以求得优化的完整产品规格数值[11-12]。如果在开发初期对客户满意度难以有效获取，无法优化产品规格，则产品规格可由设计专家根据设计要求确定多个可行选项，作为多产品方案决策时