產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題分析與研究進(jìn)展

張?jiān)诜?，?偉，劉 園

(上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072)

發(fā)達(dá)國(guó)家從以有形產(chǎn)品為主的工業(yè)社會(huì)步入了以無形服務(wù)為主的服務(wù)社會(huì)，與此同時(shí)，制造業(yè)和服務(wù)業(yè)之間相互依賴、相互融合，二者的邊界越來越模糊。制造企業(yè)開始從單一產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造轉(zhuǎn)移到為客戶提供包含產(chǎn)品與服務(wù)的整體解決方案(又稱產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)，product service systems，PSS)上來[1]。

這種轉(zhuǎn)變帶來的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)是通過將服務(wù)與產(chǎn)品融合，提供高價(jià)值方案來滿足客戶的個(gè)性需求，同時(shí)降低物質(zhì)消耗與環(huán)境影響[2-3]。服務(wù)的加入為制造企業(yè)創(chuàng)造了新的發(fā)展機(jī)遇，提高了解決方案的多樣性、差異性與競(jìng)爭(zhēng)性。同時(shí)在設(shè)計(jì)階段充分考慮產(chǎn)品與服務(wù)對(duì)客戶需求的共同滿足，以及二者之間的相互作用、相互影響，使得客戶購(gòu)買的解決方案具有更優(yōu)的整體性能。

1 PSS設(shè)計(jì)特點(diǎn)

從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到PSS設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)對(duì)象從單一產(chǎn)品擴(kuò)展到產(chǎn)品與服務(wù)融合的整體解決方案，設(shè)計(jì)過程也更加復(fù)雜多樣。這種變化對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理論和方法產(chǎn)生了較大沖擊，特別是處于設(shè)計(jì)初期的方案設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)方案設(shè)計(jì)理論方法主要是以產(chǎn)品為研究對(duì)象，研究體系相對(duì)完善，側(cè)重實(shí)物產(chǎn)品的功能與結(jié)構(gòu)建模及方案求解，難以適應(yīng)PSS方案設(shè)計(jì)的新特點(diǎn)和新要求。

1.1 設(shè)計(jì)對(duì)象的融合性

設(shè)計(jì)對(duì)象的融合性包括設(shè)計(jì)對(duì)象的異質(zhì)性、組合性和匹配性。PSS設(shè)計(jì)對(duì)象融合了有形產(chǎn)品與無形服務(wù)，二者具有典型的異質(zhì)性，比如不同的存在形態(tài)(產(chǎn)品是一個(gè)客觀存在的結(jié)構(gòu)對(duì)象，服務(wù)是一系列活動(dòng)組成的過程對(duì)象)?？蛻粜枨蟛辉賰H是產(chǎn)品需求，而是客戶所要完成工程任務(wù)的整體需求(這更好地體現(xiàn)了客戶需求的本質(zhì)——需要的是PSS的使用結(jié)果而不是產(chǎn)品本身)。因此需要將產(chǎn)品與服務(wù)這2類異質(zhì)的設(shè)計(jì)對(duì)象有效地組合在一起，共同完成客戶的工程任務(wù)(客戶任務(wù))。產(chǎn)品與服務(wù)在組合時(shí)相互依賴、相互作用，需要確保產(chǎn)品與服務(wù)相互匹配，使其在交互關(guān)系、質(zhì)量水平、運(yùn)作方式等諸多方面定位均衡，以便發(fā)揮各自自身優(yōu)勢(shì)且以最佳整體性能來共同完成客戶任務(wù)。綜上所述，PSS方案設(shè)計(jì)是一種產(chǎn)品與服務(wù)融合的設(shè)計(jì)模式，需要將異質(zhì)的有形產(chǎn)品和無形服務(wù)，以互相匹配的方式組合在一起共同滿足客戶任務(wù)需求。這些特點(diǎn)對(duì)PSS方案設(shè)計(jì)提出了客戶任務(wù)的分析與表達(dá)、方案統(tǒng)一建模、產(chǎn)品與服務(wù)關(guān)系匹配與定位均衡等新的要求。

1.2 設(shè)計(jì)過程的復(fù)雜性

設(shè)計(jì)過程的復(fù)雜性包括設(shè)計(jì)決策的交互性、方案求解的多樣性和方案優(yōu)化的混合性。在PSS方案設(shè)計(jì)中，客戶任務(wù)映射到產(chǎn)品與服務(wù)融合的整體解決方案，既要保證客戶任務(wù)的有效傳遞，又要確保其在產(chǎn)品與服務(wù)間的合理分配，在此過程中的映射關(guān)系復(fù)雜多樣，而且產(chǎn)品與服務(wù)相互影響、相互作用。需要通過二者之間的交互決策來確保方案的整體均衡，并以更優(yōu)的整體性能來完成客戶任務(wù)。產(chǎn)品與服務(wù)的融合使整體解決方案更為多樣化(產(chǎn)品多樣和服務(wù)多樣帶來了組合更大的多樣化)，包括不同種類的模塊及同類模塊的不同水平等級(jí)等。這些因素?cái)U(kuò)大了設(shè)計(jì)空間，增加了設(shè)計(jì)求解的復(fù)雜度?？紤]到設(shè)計(jì)過程和實(shí)際使用過程中的不確定性所帶來的方案改進(jìn)/升級(jí)需求，PSS方案需要不斷地優(yōu)化改進(jìn)。優(yōu)化對(duì)象是產(chǎn)品與服務(wù)融合在一起所構(gòu)成的“混合體”，需要建立定量化數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化再配置。同時(shí)要建立PSS系統(tǒng)分析模型和使用仿真模型，計(jì)算產(chǎn)品與服務(wù)的相關(guān)統(tǒng)計(jì)特性并辨識(shí)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和關(guān)鍵參數(shù)，以輔助產(chǎn)品與服務(wù)這一“混合體”的整體優(yōu)化。這些特點(diǎn)對(duì)PSS方案設(shè)計(jì)提出了客戶任務(wù)向PSS方案的有效映射及其在產(chǎn)品與服務(wù)間的均衡分配、PSS的系統(tǒng)分析與使用仿真、以及混合模式下的優(yōu)化改進(jìn)等新的要求。

綜合考慮上述2個(gè)新特點(diǎn)及新要求，為實(shí)現(xiàn)PSS方案設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和可靠性，需要進(jìn)行定量化智能化的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。提出智能算法和統(tǒng)計(jì)優(yōu)化模型來實(shí)現(xiàn)PSS方案設(shè)計(jì)的客觀化決策與優(yōu)化改進(jìn)。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

2.1 PSS研究現(xiàn)狀

從20世紀(jì)末提出產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)概念到現(xiàn)在，PSS設(shè)計(jì)理論研究和實(shí)際應(yīng)用已經(jīng)取得了較大進(jìn)展。理論研究(包括相關(guān)團(tuán)隊(duì))現(xiàn)狀如下。

1)PSS的概念和影響分析 MONT分析了PSS的可持續(xù)性內(nèi)涵及面向結(jié)果或用戶的不同服務(wù)理念，建立了PSS的理論體系[1-4]。COOK等通過理論分析與實(shí)例總結(jié)，研究了PSS對(duì)美國(guó)制造業(yè)的影響及企業(yè)生產(chǎn)模式所需的轉(zhuǎn)變[5]。MANZINI等認(rèn)為PSS是一種利益主體間(比如客戶和制造商之間)的新型關(guān)系，能夠帶來新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)和潛在的資源優(yōu)化模式[6]。BAINES等系統(tǒng)總結(jié)了2007年之前的PSS相關(guān)研究工作，分析了PSS的收益、應(yīng)用以及可能的推廣障礙[7]。從本質(zhì)上講，PSS可以看作是服務(wù)業(yè)與制造業(yè)的融合——服務(wù)型制造[8]。

2)PSS的體系架構(gòu) AURICH等運(yùn)用成組技術(shù)建立了PSS面向生命周期的框架體系[9]。林文進(jìn)等對(duì)服務(wù)型制造理論的相關(guān)研究進(jìn)行了綜述，并提出了網(wǎng)絡(luò)化的結(jié)構(gòu)體系[10]。顧新建等提出了PSS的共性關(guān)鍵技術(shù)，包括設(shè)計(jì)技術(shù)與需求挖掘技術(shù)等[11]。朱琦琦等提出了一種面向數(shù)控加工設(shè)備的PSS[12]。MEIER等總結(jié)了當(dāng)前工業(yè)產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)(industry product service system, IPS2)的研究進(jìn)展，提出了由設(shè)計(jì)系統(tǒng)、交付系統(tǒng)和改進(jìn)系統(tǒng)構(gòu)建的IPS2體系[13]。

3)PSS的運(yùn)作 AZARENKA等以BoX激光精磨機(jī)為例，分析了3類PSS模式下制造商和客戶的資金投入與收益情況[14]。LOCKETT等探討了供應(yīng)鏈與PSS運(yùn)作的關(guān)系[15]。龍躍系統(tǒng)研究了基于服務(wù)型制造的汽車零部件供應(yīng)商服務(wù)博弈及優(yōu)化問題[16]。王帥研究了服務(wù)型制造模式下混合供應(yīng)鏈的重新配置問題[17]。HU等基于定量評(píng)價(jià)方法提出了PSS運(yùn)作過程中的可持續(xù)性評(píng)價(jià)模型[18]。BELVEDERE等基于定量調(diào)查方式(共調(diào)研109家公司)，探討了在PSS運(yùn)作過程中信息化技術(shù)的角色定位及應(yīng)用[19]。HUANG等提出了基于RFID技術(shù)的PSS運(yùn)作模式，以促進(jìn)汽車零部件制造過程的精益生產(chǎn)和大規(guī)模定制[20]。

4)PSS的設(shè)計(jì)方法與工具 MORELLI提出利用IDEF0設(shè)計(jì)PSS總體功能并采用服務(wù)藍(lán)圖法表達(dá)PSS方案[21]。KOMOTO等提出了集成生命周期仿真的PSS設(shè)計(jì)工具——ISCLS(integrated service CAD with life-cycle simulator)[22]。SAKAO等提出了一個(gè)包括流模型、域模型、情景模型和視圖模型的服務(wù)產(chǎn)品模型，并開發(fā)了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)——服務(wù)資源管理器 (service explorer)[23-24]。ALONSO等在總結(jié)服務(wù)設(shè)計(jì)過程的基礎(chǔ)上，提出了功能產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程和支持架構(gòu)[25-26]。KIM等給出了PSS的基本設(shè)計(jì)過程及其功能建模思路[27]。AURICH等建立了一種面向生命周期的PSS配置模型[28]，而LONG等基于支持向量機(jī)提出了考慮客戶需求的PSS配置模型[29]。WANG等提出了PSS的模塊化設(shè)計(jì)方法，將PSS劃分為功能模塊、產(chǎn)品模塊和服務(wù)模塊[30]。AN等采用質(zhì)量功能展開方法實(shí)現(xiàn)了PSS客戶需求到技術(shù)方案的轉(zhuǎn)化，映射關(guān)系由設(shè)計(jì)者根據(jù)主觀經(jīng)驗(yàn)確定[31]。KUO等針對(duì)PSS設(shè)計(jì)中的維修服務(wù)層次優(yōu)化問題進(jìn)行了研究[32]。LI等針對(duì)集成服務(wù)產(chǎn)品(類似PSS)，采用“由頂向下”和“由底向上”的策略，支持產(chǎn)品與服務(wù)的模塊劃分過程，具體實(shí)現(xiàn)方法則利用質(zhì)量功能展開和映射矩陣[33]。

5)PSS的實(shí)例總結(jié) KERR等以復(fù)印機(jī)的再制造為例進(jìn)行分析，提出產(chǎn)品再制造是企業(yè)采用PSS戰(zhàn)略時(shí)降低物料消耗的有效途徑[34]。SUNDIN等以叉車、夯土機(jī)和家用電器為例，介紹了瑞典企業(yè)在采用PSS戰(zhàn)略時(shí)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)[35]。HU等以洗衣機(jī)為例，評(píng)估了不同PSS模式下的碳排放量[36]。

6)PSS的研究團(tuán)隊(duì)及國(guó)際國(guó)內(nèi)會(huì)議 國(guó)外大學(xué)有Kaiserslautern University of Technology以AURICH為代表的研究團(tuán)隊(duì)(研究重點(diǎn)在PSS的生命周期設(shè)計(jì)體系)，Cranfield University分別以ROY，BAINES和DURUGBO等為代表的研究團(tuán)隊(duì)(研究重點(diǎn)在IPS2體系與信息流等)，Link?ping University以SUNDIN和LINDAHL為代表的研究團(tuán)隊(duì)(研究重點(diǎn)在PSS的實(shí)例總結(jié)與再制造)， Ruhr-University Bochum以MEIER為代表的研究團(tuán)隊(duì)(研究重點(diǎn)在IPS2運(yùn)作體系)，Aalborg University 以MORELLI為代表的研究團(tuán)隊(duì)(研究重點(diǎn)在PSS及其服務(wù)的總體設(shè)計(jì))，Tokyo Metropolitan University以SHIMOMURA為代表的研究團(tuán)隊(duì)(研究重點(diǎn)在PSS設(shè)計(jì))，Sungkyunkwan University以KIM和LEE為代表的研究團(tuán)隊(duì)(研究重點(diǎn)在PSS功能建模)，中國(guó)有上海交通大學(xué)、浙江大學(xué)、西安交通大學(xué)及重慶大學(xué)等不少高校正在開展PSS或服務(wù)型制造領(lǐng)域的相關(guān)研究。國(guó)家自然科學(xué)基金委2008年舉辦了“產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)前沿中青年學(xué)者高層論壇”，并從2009年開始資助PSS或服務(wù)型制造領(lǐng)域的項(xiàng)目研究，集中在系統(tǒng)運(yùn)作、制造策略與資源配置等方向。自2009年開始，國(guó)際生產(chǎn)工程研究學(xué)會(huì)(The International Academy for Production Engineering,CIRP)每年舉辦一次關(guān)于IPS2的國(guó)際會(huì)議，來專題討論P(yáng)SS在工業(yè)領(lǐng)域中的最新成果和研究進(jìn)展。由此可見，PSS領(lǐng)域越來越受到各方的關(guān)注并開始進(jìn)行深入的探索和研究。

PSS理念已經(jīng)在許多行業(yè)或領(lǐng)域中得到了初步的實(shí)際應(yīng)用。

2.2 PSS理念應(yīng)用現(xiàn)狀

1)汽車行業(yè) 通用公司向客戶銷售汽車的同時(shí)，還通過OnStar系統(tǒng)提供個(gè)性化的維修和安全保障服務(wù)。YADAV等提出了輪胎PSS，輪胎公司從銷售輪胎產(chǎn)品轉(zhuǎn)型為銷售輪胎使用[37]。汽車共享也是一種典型的PSS模式，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明可以降低40%的汽車數(shù)量，運(yùn)行里程降低30%～60%(減少無效里程的浪費(fèi))[38]。

2)化工行業(yè) BIERMA等提出了一種新的PSS模式——化學(xué)品管理服務(wù)[39]，激勵(lì)的衡量指標(biāo)由化學(xué)品銷售量轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)品完成的功能量，也就是從賣產(chǎn)品轉(zhuǎn)變?yōu)橘u功能。STOUGHTON等總結(jié)了15家企業(yè)實(shí)施化學(xué)品管理服務(wù)的經(jīng)驗(yàn)，論證了降低化學(xué)品的使用量及成本是客戶與服務(wù)商的共同目標(biāo)[40]。

3)IT行業(yè) IBM實(shí)施了從IT硬件制造商向IT整體解決方案提供商(提供包括硬件、軟件和相關(guān)服務(wù))的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)了收入與利潤(rùn)的大幅攀升。Apple公司以iPod+iTunes方式向用戶提供多種多樣地個(gè)性化組合方案：包括iPod播放器、操作系統(tǒng)及音樂下載服務(wù)等。

4)其他行業(yè) 陜鼓集團(tuán)為寶鋼提供煉鋼所需的送風(fēng)系統(tǒng)，這一整體解決方案既包括鼓風(fēng)機(jī)、相關(guān)的配套設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施，也包括保障系統(tǒng)有效運(yùn)行的安裝調(diào)試和維護(hù)維修等服務(wù)。海爾集團(tuán)提供客戶參與設(shè)計(jì)的個(gè)性化家電產(chǎn)品并輔以多樣化的售后服務(wù)[10]。

在理論研究方面，當(dāng)前研究主要局限于概念、理論體系、運(yùn)作機(jī)制與模式以及案例總結(jié)等方面，對(duì)PSS設(shè)計(jì)這一核心主題，特別是PSS方案設(shè)計(jì)的研究較少且不夠深入。當(dāng)前的研究初步探討了PSS設(shè)計(jì)框架體系、基本設(shè)計(jì)過程、簡(jiǎn)要的總體建模思路和設(shè)計(jì)支持工具，沒有深入研究客戶的真正需求是什么以及如何進(jìn)行描述(任務(wù)表達(dá))、如何統(tǒng)一表達(dá)產(chǎn)品與服務(wù)融合所構(gòu)成的整體解決方案(方案建模)、如何將這些需求準(zhǔn)確可靠的轉(zhuǎn)化為PSS方案的設(shè)計(jì)依據(jù)(任務(wù)映射)、如何準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品與服務(wù)定位的合理分配(性能匹配)、以及如何改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案/案例(統(tǒng)計(jì)優(yōu)化)等關(guān)鍵問題。

在實(shí)際應(yīng)用方面，雖然PSS在企業(yè)生產(chǎn)中已有初步的應(yīng)用，并取得了一定的成效，但是制造企業(yè)的設(shè)計(jì)模式和技術(shù)方法沒有發(fā)生根本性的改變。產(chǎn)品設(shè)計(jì)與服務(wù)設(shè)計(jì)多處于分離狀態(tài)，分別由設(shè)計(jì)部門和市場(chǎng)部門來執(zhí)行，這種分離模式使得數(shù)據(jù)描述、方案分析與設(shè)計(jì)等多個(gè)方面形成了異構(gòu)狀態(tài)，難以有效溝通和互動(dòng)， 阻礙了產(chǎn)品與服務(wù)的信息共享、性能匹配以及整體優(yōu)化；企業(yè)缺乏定量化方法，多數(shù)依賴設(shè)計(jì)工程師的主觀經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，難以準(zhǔn)確客觀地完成PSS方案的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

3 對(duì)研究方向的建議

PSS是產(chǎn)品與服務(wù)融合的新型制造模式，是制造企業(yè)服務(wù)化轉(zhuǎn)型的必然選擇，有助于提升中國(guó)制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。由于PSS方案設(shè)計(jì)具有設(shè)計(jì)對(duì)象的融合性(包括設(shè)計(jì)對(duì)象的異質(zhì)性、組合性和匹配性)和設(shè)計(jì)過程的復(fù)雜性(包括設(shè)計(jì)決策的交互性、方案求解的多樣性和方案優(yōu)化的混合性)等新特點(diǎn)，對(duì)PSS設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)提出了新要求。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理論方法難以適應(yīng)PSS方案設(shè)計(jì)的這些新特點(diǎn)新要求，迫切需要解決以下問題。

1)在PSS建模方面，缺乏對(duì)客戶需求本質(zhì)的有效分析，即沒有明確客戶的根本目的是完成工程任務(wù)而非購(gòu)買產(chǎn)品本身，需要進(jìn)行客戶任務(wù)的分析和建模；缺乏對(duì)產(chǎn)品與服務(wù)兩類對(duì)象在方案域的統(tǒng)一描述和表達(dá)，即在統(tǒng)一建模方式下既要描述產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，還要描述服務(wù)的活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)二者的真正融合和無縫集成。

2)在PSS設(shè)計(jì)決策方面，現(xiàn)有方法多為定性決策，主要依賴設(shè)計(jì)者的主觀經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，準(zhǔn)確性和可靠性較差，缺乏客觀化方法實(shí)現(xiàn)客戶任務(wù)到PSS方案的映射及技術(shù)規(guī)格的確定；缺少產(chǎn)品與服務(wù)間相互關(guān)系的綜合分析和性能定位的均衡性研究；此外，需要建立產(chǎn)品與服務(wù)融合下的客戶滿意度函數(shù)，來實(shí)現(xiàn)多個(gè)PSS方案的擇優(yōu)。

3)由于PSS的設(shè)計(jì)不確定性和使用環(huán)境的多樣性，導(dǎo)致PSS方案不斷進(jìn)化和升級(jí)改進(jìn)。從客觀決策的角度出發(fā)，需要采用數(shù)學(xué)方法來實(shí)現(xiàn)PSS方案定量?jī)?yōu)化再配置；為降低方案改進(jìn)的成本、風(fēng)險(xiǎn)和技術(shù)難度，需要進(jìn)行PSS方案的系統(tǒng)性分析，并進(jìn)行PSS方案在生命周期的使用效能仿真，獲取優(yōu)化改進(jìn)的決策依據(jù)。

只有深入分析和總結(jié)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有PSS領(lǐng)域的相關(guān)研究，繼承傳統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的研究成果，才能在PSS設(shè)計(jì)領(lǐng)域中取得新的理論方法進(jìn)展。為此，需要緊扣產(chǎn)品與服務(wù)融合這一著眼點(diǎn)，提出PSS方案的統(tǒng)一建模、設(shè)計(jì)決策和優(yōu)化改進(jìn)方法，建立相應(yīng)的系統(tǒng)化理論體系，進(jìn)而為當(dāng)前的理論研究和企業(yè)應(yīng)用提供一套行之有效的理論方法和一種更具實(shí)際意義的技術(shù)指導(dǎo)。這些理論方法的應(yīng)用，能夠有效增強(qiáng)制造企業(yè)的設(shè)計(jì)手段和實(shí)現(xiàn)方法，提高企業(yè)的市場(chǎng)響應(yīng)能力和綜合競(jìng)爭(zhēng)力。

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