面向產(chǎn)品族的PLM供給流程模型研究

崔 劍，李群英

（杭州電子科技大學(xué) 管理學(xué)院，浙江 杭州 310018）

一、引言

在供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革形勢(shì)下，為了降低成本，提高供給對(duì)需求變化的適應(yīng)性和靈活性，企業(yè)采用產(chǎn)品族設(shè)計(jì)策略實(shí)現(xiàn)成本的有效控制和產(chǎn)品的多樣化需求。F.Kimura[1]研究了面向產(chǎn)品族制造資源有限情境下的設(shè)計(jì)方法；Yongqiang Liao[2]提出了基于Kano需求模型的產(chǎn)品族外部創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，并應(yīng)用該方法挖掘客戶深層次的需求，解決現(xiàn)有模型不能很好地將客戶需求轉(zhuǎn)換成產(chǎn)品特征的弊端。王海軍[3]提出變需求-變結(jié)構(gòu)-變性能的多層次產(chǎn)品設(shè)計(jì)與進(jìn)化管理模式，解決了客戶定制信息改變對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)果的適應(yīng)性處理。譚滿益[4]對(duì)模糊需求下的產(chǎn)品供給能力進(jìn)行了研究，給出了計(jì)算產(chǎn)品供給能力（補(bǔ)給周期供給水平、產(chǎn)品供給率）的公式和算例，討論了模糊需求隸屬函數(shù)形狀的改變對(duì)產(chǎn)品供給能力的影響。杜綱等[6]發(fā)現(xiàn)了產(chǎn)品族理論與供應(yīng)鏈之間的主從關(guān)聯(lián)關(guān)系，研究了產(chǎn)品族模塊化與供應(yīng)鏈的協(xié)同優(yōu)化問題，并提出了有效的產(chǎn)品族配置方案。夏一[5]發(fā)現(xiàn)了產(chǎn)品族平臺(tái)與定制化設(shè)計(jì)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，建立了主從關(guān)系模型。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究主要致力于產(chǎn)品族中每種產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程、產(chǎn)品需求轉(zhuǎn)化過程、供應(yīng)鏈與產(chǎn)品族的庫(kù)存管理以及產(chǎn)品配置等問題[7-8]。但很少有學(xué)者考慮產(chǎn)品族和供給之間的關(guān)系，以及供給對(duì)PLM各階段影響和流程模型研究，因此本文提出了面向產(chǎn)品族的PLM供給流程模型。通過對(duì)產(chǎn)品族供給流程進(jìn)行分層次研究，實(shí)現(xiàn)供給的高效協(xié)同。

二、產(chǎn)品族供給

產(chǎn)品族[9-11]是以產(chǎn)品平臺(tái)為基礎(chǔ)，通過添加不同的個(gè)性模塊，以滿足不同客戶個(gè)性化需求的一組相關(guān)產(chǎn)品。產(chǎn)品族包括產(chǎn)品平臺(tái)和由其衍生出的能滿足客戶不同需求的個(gè)性化產(chǎn)品。通用化、模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化是產(chǎn)品族的核心。應(yīng)用模塊化理論，將產(chǎn)品族系列產(chǎn)品供給結(jié)構(gòu)劃分為基礎(chǔ)模塊供給、必選模塊供給、可選模塊供給。

（一）基礎(chǔ)模塊供給

一般不需要由客戶選擇和定制，企業(yè)根據(jù)客戶定制的產(chǎn)品類型、型號(hào)和相關(guān)參數(shù)選擇合適的零部件。通常由通用性較好的零部件組成，具有標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化的特點(diǎn)。如汽輪機(jī)產(chǎn)品的前支座總成中的軸承座、密封環(huán)、前軸承連接件都屬于基礎(chǔ)模塊。

（二）必選模塊供給

需要由客戶選擇使用哪種型號(hào)的零部件。通常由通用性較好或一般的零部件組成，標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化程度較差。與基本模塊合起來約占產(chǎn)品族中模塊數(shù)量的90%。如汽輪機(jī)產(chǎn)品的前支座總成中的座架、基礎(chǔ)底板左和基礎(chǔ)底板右都屬于必選模塊。

（三）可選模塊供給

根據(jù)客戶的定制需求在產(chǎn)品族主結(jié)構(gòu)中增加的部分，決定了產(chǎn)品的差異性。其功能和結(jié)構(gòu)獨(dú)立性較強(qiáng)，通用性較差，個(gè)性化程度較高，通常由定制件組成。如汽輪機(jī)前支座總成中的中間板，座架-傳動(dòng)箱連接件都屬于可選模塊。

表1 各類型模塊的特征及供給方式

三、面向產(chǎn)品族的供給模型

（一）產(chǎn)品族的供給層次分析

模糊集是一種數(shù)學(xué)工具。Zadeh[12]提出了模糊集理論，運(yùn)用三角模糊函數(shù)這種直觀的隸屬函數(shù)表示對(duì)象最終隸屬的不同層次以及不確定概念的外延程度。設(shè)A是論域U上的一個(gè)模糊子集，對(duì)于任意 x∈U，指定一個(gè)實(shí)數(shù) μA（x）∈[0，1]，這個(gè)值 μA（x）是 x相對(duì) A 的隸屬度。映射 μA：U→[0，1]使得 μA：x→μA（x），叫做 x 的隸屬函數(shù)。如果 μA（x）等于0，則x不屬于模糊集A。如果 μA（x）等于1，則 x完全屬于模糊集 A。如果 μA（x）的值在[0，1]之間，則x部分屬于模糊集A。μA（x）定義如下：

其中 l，m，u 均為實(shí)數(shù)，且 l＜m＜u，如圖 1（三角模糊值）所示。在[l，u]間隔之外，相關(guān)性程度為零，m代表了相關(guān)性度最大的點(diǎn)。模糊值的代數(shù)運(yùn)算過程如下：

給定一個(gè)實(shí)數(shù)k，兩個(gè)三角模糊值 A=（l1，m1，u1）和 B=（l2，m2，u2），代數(shù)過程表述如下：

其中，l1≥0，k≥0。

采用語(yǔ)義說明對(duì)產(chǎn)品族各模塊供給進(jìn)行層次分析。標(biāo)準(zhǔn)化程度表述{高、中、低}，供給重要程度表述{重要、不重要}，供給和標(biāo)準(zhǔn)化之間關(guān)系表述{強(qiáng)、一般、弱}。根據(jù)隸屬程度的大小來劃分基礎(chǔ)模塊、必選模塊、可選模塊。標(biāo)準(zhǔn)化程度表述{1、2、3}，供給重要程度表述{1、0}，供給和標(biāo)準(zhǔn)之間關(guān)系表述{3、4、5}。因此，三種模塊的語(yǔ)義表述為：基礎(chǔ)模塊供給語(yǔ)義表述為{1，1，3}；必選模塊供給語(yǔ)義表述為 {2，1，4}；可選模塊供給語(yǔ)義表述為{3，1，5}。

運(yùn)用語(yǔ)義評(píng)價(jià)方式，描述產(chǎn)品族基礎(chǔ)模塊、必選模塊、可選模塊三個(gè)層次，如圖1所示。

圖1 供給層次模塊分析

（二）產(chǎn)品族的供給模型

從全生命周期維、視圖維、產(chǎn)品族維和模塊維四個(gè)維度描述產(chǎn)品族PLM供給流程模型[13-16]。

第一維度，全生命周期維，分為設(shè)計(jì)、制造、銷售、服務(wù)、回收五個(gè)階段實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品族供給。

第二維度，視圖維，從產(chǎn)品族的功能、結(jié)構(gòu)、資源來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品族的供給。

第三維度，產(chǎn)品族維，包含產(chǎn)品1、產(chǎn)品 2、產(chǎn)品3……產(chǎn)品n，表示一個(gè)產(chǎn)品系列。

第四維度，模塊維，依據(jù)產(chǎn)品族的特點(diǎn)，運(yùn)用模糊分類法，分為基礎(chǔ)模塊層供給、可選模塊層供給、必選模塊層供給。產(chǎn)品族供給層次分解是為了增加不同模塊間的協(xié)同效應(yīng)，縮短需求供給的周期。

產(chǎn)品族PLM供給結(jié)構(gòu)模型，如圖2所示。

圖2 產(chǎn)品族P LM供給結(jié)構(gòu)模型

四、實(shí)例研究

（一）汽輪機(jī)產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)分析

工業(yè)汽輪機(jī)屬于技術(shù)密集型產(chǎn)品，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，可靠性要求很高。汽輪機(jī)產(chǎn)品中，轉(zhuǎn)子和汽缸是結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、占用設(shè)計(jì)和技術(shù)準(zhǔn)備時(shí)間最長(zhǎng)的零部件，一般情況下其設(shè)計(jì)周期超過整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期的60%以上。

圖3 凝汽反動(dòng)式汽輪機(jī)

圖4 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子

（二）轉(zhuǎn)子產(chǎn)品族的供給模型

轉(zhuǎn)子是一個(gè)典型的按訂單設(shè)計(jì)零件，它是工業(yè)汽輪機(jī)中最重要、精度最高、最復(fù)雜的部件，轉(zhuǎn)子分為前軸段、前汽封段、通流部分軸段、后汽封段、后軸段。如圖5所示為轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖。本文以汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子為例，對(duì)其供給結(jié)構(gòu)流程模型進(jìn)行分析。

圖5 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖

轉(zhuǎn)子產(chǎn)品族全生命周期供給流程如圖6所示。

五、總結(jié)

本文以“有效供給——需求滿足——優(yōu)化供給流程”為切入點(diǎn)，分析了全生命周期維、視圖維、產(chǎn)品族維和模塊維的四維產(chǎn)品族供給層次模型，并從量化的角度對(duì)供給層次模型進(jìn)行分析。最后，以汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子為例，對(duì)其全生命周期內(nèi)的供給流程進(jìn)行建模研究。實(shí)例的研究有效驗(yàn)證了四維產(chǎn)品族全生命周期供給層次模型的有效性，PLM內(nèi)供給流程模型的可行性和可實(shí)施性。然而，本文研究仍然存在一定的局限性。進(jìn)一步可從量化的角度研究產(chǎn)品全生命周期需求與供給的匹配度，并對(duì)其進(jìn)行指標(biāo)化評(píng)價(jià)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]Kimura，F(xiàn).，J.Nielsen，A Design Method for Product Family under Manufacturing Resource Constraints[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology，2005，54（1）：139-142.

[2]Liao Y.，C.Yang，W.Li，Extension Innovation Design of Product Family Based on Kano Requirement Model☆.Procedia Computer Science，2015，55：268-277.

[3]王海軍，孫寶元，張強(qiáng)，等.支持個(gè)性化產(chǎn)品定制的變型配置設(shè)計(jì)方法[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2006，42（1）：90-97.

[4]譚滿益，唐小我.模糊需求下的產(chǎn)品供給能力初步研究[J].管理學(xué)報(bào)，2006，3（1）：76-80.

[5]王丹萍，杜綱.結(jié)合供應(yīng)鏈設(shè)計(jì)的產(chǎn)品族模塊配置的主從優(yōu)化[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2015，21（4）：894-903.

[6]夏一，杜綱，支華煒.產(chǎn)品族平臺(tái)與定制化關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)的主從優(yōu)化模型[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2013，19（11）：2704-2713.

[7]樊蓓蓓，祁國(guó)寧.基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)建模及模塊分析方法[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2007，43（3）：187-192.

[8]Francalanza E.，J.C.Borg，C.L.Constantinescu.A Case for Assisting'Product Family'Manufacturing System Designers.in Cirp Conference on Manufacturing Systems，2012.

[9]Li Z.，et al.A systematic adaptable platform architecture design methodology for early product development.Journal of Engineering Design，2015，27（1）：1-25.

[10]Levandowski C.，et al.An Integrated Approach to Technology Platform and Product Platform Development.Concurrent Engineering Research&Applications，2013.21（1）：65-83.

[11]Kannan D.，K.Govindan，S.Rajendran，F(xiàn)uzzyAxiomatic Design approach based green supplier selection：acase study from Singapore[J].Journal of Cleaner Production，2015，96：194-208.

[12]Zadeh L.A.，F(xiàn)uzzy sets*.Information&Control，1965，8（3）：338-353.

[13]Cheng Y.，et al.Modeling of manufacturing service supply-demand matching hypernetwork in service-oriented manufacturing systems.Robotics and Computer-Integrated Manufacturing，2016，45.

[14]Pashaei S.，J.Olhager.Product architecture and supply chain design：a systematic reviewand research agenda[J].Supply Chain Management，2015，20（1）：98-112.

[15]Wei，W.，et al.，Product Family Flexible Design Method Based on Dynamic Requirements Uncertainty Analysis[J].Procedia Cirp，2017，60：332-337.

[16]Agard B.，M.Barajas.The use of fuzzy logic in product family development：literature reviewand opportunities[J].Journal of Intelligent Manufacturing，2012，23（5）：1445-1462.