經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型時(shí)期裝備制造產(chǎn)業(yè)3DCE-NPD協(xié)同應(yīng)用與實(shí)踐

譚元發(fā) ，殷英

（1.湖南信息學(xué)院商學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 430074；2.湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 湘潭 411101）

《中國(guó)制造2025》指出：“全球產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)格局正在發(fā)生重大調(diào)整，我國(guó)在新一輪發(fā)展中面臨巨大挑戰(zhàn)。國(guó)際金融危機(jī)發(fā)生后，發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛實(shí)施“再工業(yè)化”戰(zhàn)略，重塑制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)新優(yōu)勢(shì)，加速推進(jìn)新一輪全球貿(mào)易投資新格局?！彪S著工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，全球競(jìng)爭(zhēng)的激化，信息技術(shù)，智能技術(shù)，消費(fèi)者生活方式的變遷，裝備制造企業(yè)正面臨一個(gè)前所未有的變革時(shí)代。在世界競(jìng)爭(zhēng)和經(jīng)濟(jì)周期下行的形勢(shì)下，裝備制造業(yè)發(fā)展的首要任務(wù)就是技術(shù)創(chuàng)新和新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，改變傳統(tǒng)的高碳、高能耗、經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的粗放型增長(zhǎng)方式，向產(chǎn)品智能化、綠色化、數(shù)字化轉(zhuǎn)變。

1 綠色設(shè)計(jì)、數(shù)字化設(shè)計(jì)、智能制造三維并行工程內(nèi)涵

在裝備制造業(yè)NPD過(guò)程中融入綠色設(shè)計(jì)、數(shù)字化設(shè)計(jì)、智能制造三維并行工程（3DCE），形成三維并行工程與新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)協(xié)同（3DCE-NPD）應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、流程設(shè)計(jì)和供應(yīng)鏈設(shè)計(jì)，一方面能實(shí)現(xiàn)裝備制造業(yè)從制造到智造；二方面能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的綠色環(huán)保；三方面能提高產(chǎn)品的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

綠色設(shè)計(jì)、數(shù)字化設(shè)計(jì)、智能制造三者相互促進(jìn)，裝備制造業(yè)將數(shù)字化設(shè)計(jì)和智能制造貫穿產(chǎn)品的生命周期為綠色設(shè)計(jì)提供了保障，數(shù)字設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)智能制造的基礎(chǔ)，綠色設(shè)計(jì)為數(shù)字化設(shè)計(jì)和智能制造提出了更高的要求。

智能制造是將制造技術(shù)與數(shù)字技術(shù)、智能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)集成應(yīng)用于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理和服務(wù)的全生命周期，在制造過(guò)程中進(jìn)行感知、分析、推理、決策與控制，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品需求動(dòng)態(tài)響應(yīng)，新產(chǎn)品迅速開(kāi)發(fā)以及生產(chǎn)和供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)優(yōu)化的制造活動(dòng)總稱[1]。

若裝備制造業(yè)產(chǎn)品的價(jià)值為V，生產(chǎn)函數(shù)為V=f（x1，x2，…，xn），xi（i=1，2，…，n）為生產(chǎn)要素，Pi表示第i個(gè)種要素價(jià)格，環(huán)境績(jī)效指數(shù)EPI。裝備制造業(yè)的生產(chǎn)要解決兩個(gè)問(wèn)題：一是在一定的成本下，滿足一定EPI，V達(dá)到最大；二是滿足一定的EPI，達(dá)到一定的V，成本C達(dá)到最小。解決這兩個(gè)問(wèn)題的實(shí)質(zhì)是一樣的，都可以通過(guò)拉格朗日乘法解決如下規(guī)劃問(wèn)題。

智能制造能滿足生產(chǎn)函數(shù)對(duì)能源和原材料的要求，降低能源消耗，降低原材料消耗，促進(jìn)生產(chǎn)節(jié)能減排，目前，也只有智能制造和數(shù)字技術(shù)才能滿足上述線性規(guī)劃問(wèn)題約束條件，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)函數(shù)，這是傳統(tǒng)的生產(chǎn)技術(shù)和手段無(wú)法達(dá)到的。產(chǎn)品數(shù)字技術(shù)能優(yōu)化生產(chǎn)，顯著降低單位工業(yè)品能耗與物耗水平，大幅降低單位工業(yè)增加值污染排放，促進(jìn)工業(yè)經(jīng)濟(jì)綠色與集約發(fā)展。智能制造顯著提高生產(chǎn)效率，提升工業(yè)經(jīng)濟(jì)效益水平。

傳統(tǒng)的并行工程CE側(cè)重于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、過(guò)程設(shè)計(jì)和制造過(guò)程，3DCE同時(shí)將綠色設(shè)計(jì)、數(shù)字化設(shè)計(jì)和智能制造設(shè)計(jì)應(yīng)用于NPD，形成3DCE與NPD協(xié)同（3DCE-NPD）。產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)、數(shù)字化設(shè)計(jì)和智能制造在現(xiàn)代裝備制造產(chǎn)業(yè)中已經(jīng)是發(fā)展趨勢(shì)，中國(guó)要從制造強(qiáng)國(guó)走向智造強(qiáng)國(guó)，綠色設(shè)計(jì)、數(shù)字化設(shè)計(jì)和智能制造是關(guān)鍵?！吨袊?guó)制造2025》指出：“堅(jiān)持把可持續(xù)發(fā)展作為建設(shè)制造強(qiáng)國(guó)的重要著力點(diǎn)，加強(qiáng)節(jié)能環(huán)保技術(shù)、工藝、裝備推廣應(yīng)用，全面推行清潔生產(chǎn)。發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，提高資源回收利用效率，構(gòu)建綠色制造體系，走生態(tài)文明的發(fā)展道路?！碑a(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)對(duì)裝備制造業(yè)發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)至關(guān)重要。由于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、流程設(shè)計(jì)和供應(yīng)鏈設(shè)計(jì)是NPD價(jià)值鏈設(shè)計(jì)中的3個(gè)重要環(huán)節(jié)，在3DCE-NPD平臺(tái)上整合產(chǎn)品設(shè)計(jì)、流程設(shè)計(jì)和供應(yīng)鏈設(shè)計(jì)，形成裝備制造經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)新常態(tài)。3DCE每一要素或要素之間的關(guān)系如圖1所示，EPI（Environmental Performance Index）表示環(huán)境績(jī)效指數(shù)。

圖1 三維并行工程

2 3DCE-NPD與產(chǎn)品設(shè)計(jì)、流程設(shè)計(jì)和供應(yīng)鏈設(shè)計(jì)協(xié)同

2.1 3DCE-NPD與產(chǎn)品設(shè)計(jì)協(xié)同

制造業(yè)是國(guó)家或地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱，而裝備制造業(yè)是制造業(yè)的核心。裝備制造業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)一般需要滿足的功能要求有：加工精度方面的要求，強(qiáng)度、剛度和抗振性方面的要求，加工穩(wěn)定性方面的要求，耐用性方面的要求，技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面的要求。設(shè)計(jì)需要從柔性化、精密化、自動(dòng)化、機(jī)電一體化、減量化等方面思考，符合工業(yè)工程和綠色工程要求。結(jié)合現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)、變形設(shè)計(jì)和組合設(shè)計(jì)。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中，充分思考產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)與綠色設(shè)計(jì)的協(xié)同關(guān)系，保障產(chǎn)品的可靠性、維修性、有效性、耐用性和安全性，同時(shí)注重產(chǎn)品的節(jié)能減耗、節(jié)省材料，充分應(yīng)用裝備制造循環(huán)經(jīng)濟(jì)的“3R 基本原則”（reduce，reuse，recycle）以及提升的“5R原則”（在 3R 基礎(chǔ)上增加 remanufacturing，renovation）。在考慮產(chǎn)品可靠性的同時(shí)，還要研究產(chǎn)品的綠色設(shè)計(jì)，產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)將“減量化”放在首位，在滿足產(chǎn)品可靠性的條件下，要達(dá)到使用材料最省，對(duì)環(huán)境污染最小，達(dá)到節(jié)能降耗減排的目的。因此產(chǎn)品設(shè)計(jì)是一個(gè)可靠性設(shè)計(jì)與綠色設(shè)計(jì)相相交叉的過(guò)程，如圖2所示，該過(guò)程是一個(gè)不斷反饋的過(guò)程[2]。

圖2 可靠性設(shè)計(jì)增長(zhǎng)與綠色設(shè)計(jì)交叉過(guò)程

裝備制造業(yè)的綠色競(jìng)爭(zhēng)力與環(huán)境保護(hù)既有聯(lián)系又有區(qū)別，是指裝備制造企業(yè)在保護(hù)環(huán)境的前提下，通過(guò)提升技術(shù)、改善經(jīng)營(yíng)模式等，高效利用資源能源，減少污染和浪費(fèi)，既綠色又有競(jìng)爭(zhēng)力[3]。按照國(guó)民經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)口徑，文中按照裝備制造業(yè)所涵蓋金屬制品業(yè)、通用設(shè)備制造業(yè)、專用設(shè)備制造業(yè)、交通運(yùn)輸設(shè)備制造業(yè)、電氣機(jī)械制造業(yè)、通信設(shè)備計(jì)算機(jī)及其電子設(shè)備制造業(yè)、儀器儀表及文化辦公用機(jī)械制造業(yè)（簡(jiǎn)稱裝備制造業(yè)全口徑），根據(jù)2011—2018年的中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒，計(jì)算得出自2010年來(lái)，我國(guó)裝備制造業(yè)的單位主營(yíng)業(yè)務(wù)收入的能源消費(fèi)量逐年下降，說(shuō)明我國(guó)通過(guò)節(jié)能減排和去產(chǎn)能取得了初步成效，如圖3所示（說(shuō)明：由于缺乏2017年裝備制造業(yè)的能源消費(fèi)量數(shù)據(jù)，文中采用計(jì)量經(jīng)濟(jì)方法計(jì)算2017年預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)）。裝備制造業(yè)單位主營(yíng)業(yè)務(wù)收入的能源消費(fèi)量與國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）的單位總值能耗相比，其下降的速度相對(duì)較慢，單位GDP能源消費(fèi)量以平均每年6.6%的速度下降，單位裝備制造業(yè)主營(yíng)業(yè)務(wù)收入的能源消費(fèi)量以平均每年6.2%的速度下降，說(shuō)明裝備制造業(yè)產(chǎn)品綠色性還存在一定的差距。

圖3 2010年來(lái)裝備制造業(yè)能源消費(fèi)量比較（中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒2010—2018[4]）

2.2 3DCE-NPD與供應(yīng)鏈設(shè)計(jì)協(xié)同

在3DCE平臺(tái)上開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品，其供應(yīng)鏈設(shè)計(jì)、原材料和上游產(chǎn)品符合低碳經(jīng)濟(jì)要求，3DCE中的供應(yīng)鏈設(shè)計(jì)超越了簡(jiǎn)單集成供應(yīng)商的技術(shù)能力，其中包括該供應(yīng)商的信息處理、通信能力和庫(kù)存管理，甚至與供應(yīng)商的關(guān)系。

傳統(tǒng)的裝備制造業(yè)供應(yīng)鏈設(shè)計(jì)，注重考慮資源供應(yīng)方式、供應(yīng)成本和產(chǎn)品快速響應(yīng)市場(chǎng)，不注重對(duì)在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢棄物對(duì)環(huán)境的影響、材料滿足設(shè)計(jì)的可靠性、用材最省、生產(chǎn)過(guò)程中的能源消耗的考慮；不注重減量化設(shè)計(jì)、產(chǎn)品的再使用設(shè)計(jì)、再循環(huán)設(shè)計(jì)、再制造設(shè)計(jì)。在進(jìn)行供應(yīng)鏈設(shè)計(jì)時(shí)，僅在企業(yè)內(nèi)部進(jìn)行協(xié)調(diào)，資源供應(yīng)、原材料供應(yīng)的綠色性、上游企業(yè)的綠色設(shè)計(jì)與下游用戶的綠色環(huán)保要求和環(huán)保便捷性排除在供應(yīng)鏈設(shè)計(jì)之外，導(dǎo)致上游供應(yīng)商和用戶參與基于3DCE供應(yīng)鏈設(shè)計(jì)受到影響，從而不能滿足產(chǎn)品的綠色設(shè)計(jì)要求。

在裝備制造業(yè)整個(gè)供應(yīng)鏈設(shè)計(jì)過(guò)程中，從資源開(kāi)采與提煉、原材料加工成工程材料、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品制造、產(chǎn)品銷售供應(yīng)、產(chǎn)品使用，到產(chǎn)品再使用、再循環(huán)、再制造、資源化，都是基于3DCE-NPD平臺(tái)，將產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)、數(shù)字化設(shè)計(jì)、智能制造貫穿整個(gè)產(chǎn)品生命周期，如圖4所示。3DCE并行工程中的綠色設(shè)計(jì)、數(shù)字化設(shè)計(jì)和智能制造相輔相成，數(shù)字化設(shè)計(jì)和智能制造更加有利于產(chǎn)品的綠色設(shè)計(jì)、產(chǎn)品的清潔生產(chǎn)，更加有利于產(chǎn)業(yè)的環(huán)境責(zé)任制造，保護(hù)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的集約式增長(zhǎng)和產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

圖4 基于3DCE-NPD的產(chǎn)品供應(yīng)鏈設(shè)計(jì)過(guò)程

3DCE-NPD在整個(gè)產(chǎn)品生命周期考慮對(duì)環(huán)境的影響，并從整個(gè)供應(yīng)鏈，由供應(yīng)鏈成員參與，從綠色環(huán)保的觀念進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)、流程設(shè)計(jì)和供應(yīng)鏈設(shè)計(jì)，盡量減少企業(yè)產(chǎn)品的生態(tài)足跡。

2.3 3DCE-NPD與流程設(shè)計(jì)協(xié)同

美國(guó)的Michael Hammer和James Champy提出的業(yè)務(wù)流程再造（BRP），強(qiáng)調(diào)以業(yè)務(wù)流程為改造對(duì)象和中心、以關(guān)心客戶的需求和滿意度為目標(biāo)、對(duì)現(xiàn)有的業(yè)務(wù)流程進(jìn)行根本的再思考和徹底的再設(shè)計(jì)，利用先進(jìn)的制造技術(shù)、信息技術(shù)以及現(xiàn)代的管理手段、最大限度地實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的功能集成和管理上的職能集成，以打破傳統(tǒng)的職能型組織結(jié)構(gòu)，建立全新的過(guò)程型組織結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)企業(yè)經(jīng)營(yíng)在成本、質(zhì)量、服務(wù)和速度等方面的戲劇性的改善[5]。按照業(yè)務(wù)流程再造的理論，在3DCE-NPD的理念下，業(yè)務(wù)流程再造要根據(jù)綠色設(shè)計(jì)、數(shù)字化設(shè)計(jì)和智能制造對(duì)裝備制造的流程設(shè)計(jì)再造，與流程有關(guān)的3DCE-NPD重點(diǎn)放在流程設(shè)計(jì)，通過(guò)流程再造、現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)和智能制造，達(dá)到產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，減少?gòu)U物源，實(shí)現(xiàn)環(huán)境責(zé)任制造。裝備制造業(yè)按照3DCE-NPD理念，從提高資源利用率上需增加資源循環(huán)流程，從加快資源流速方面，減少停滯時(shí)間，并降低成本。通過(guò)流程再造，改進(jìn)操作，改善庫(kù)存管理，減少?gòu)U物。

傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)模式下，企業(yè)的目的是利潤(rùn)最大化，為了謀求最大化利潤(rùn)，企業(yè)不惜犧牲環(huán)境為代價(jià)。經(jīng)濟(jì)新常態(tài)下，企業(yè)以價(jià)值最大化為目的，經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)按照集約化增長(zhǎng)方式，用綠色GDP衡量，因此企業(yè)在進(jìn)行新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)，必須對(duì)傳統(tǒng)流程設(shè)計(jì)進(jìn)行再造，融入綠色元素。在進(jìn)行流程再造時(shí)，將綠色設(shè)計(jì)、數(shù)字化設(shè)計(jì)、智能制造與產(chǎn)品設(shè)計(jì)相結(jié)合，其中數(shù)字化設(shè)計(jì)、智能制造是綠色設(shè)計(jì)的保障。產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)可以充分利用數(shù)字化設(shè)計(jì)和智能制造等先進(jìn)制造技術(shù)提高資源和能源的利用效率，達(dá)到節(jié)能減排，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)新常態(tài)?；?DEC-NPD就是通過(guò)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、流程設(shè)計(jì)和供應(yīng)鏈設(shè)計(jì)，充分利用綠色設(shè)計(jì)、數(shù)字化設(shè)計(jì)和智能制造實(shí)現(xiàn)降低成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量、快速響應(yīng)市場(chǎng)、提高用戶滿意度、減少污染[6]。3DCE-NPD平臺(tái)的BRP實(shí)施體系如圖5所示。

圖5 3DCE-NPD平臺(tái)的BRP實(shí)施體系

3 財(cái)政政策支持建議

《中國(guó)制造2025》提出：“我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入新常態(tài)，制造業(yè)發(fā)展面臨新挑戰(zhàn)。資源和環(huán)境約束不斷強(qiáng)化，勞動(dòng)力等生產(chǎn)要素成本不斷上升，投資和出口增速明顯放緩，主要依靠資源要素投入、規(guī)模擴(kuò)張的粗放發(fā)展模式難以為繼，調(diào)整結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)型升級(jí)、提質(zhì)增效刻不容緩。形成經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)新動(dòng)力，塑造國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)新優(yōu)勢(shì)，重點(diǎn)在制造業(yè)，難點(diǎn)在制造業(yè)，出路也在制造業(yè)”。國(guó)家要實(shí)現(xiàn)從制造大國(guó)到制造強(qiáng)國(guó)，裝備制造業(yè)要適應(yīng)經(jīng)濟(jì)新常態(tài)帶來(lái)的變化，加強(qiáng)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，積極自主創(chuàng)新，推動(dòng)轉(zhuǎn)型升級(jí)，逐步實(shí)現(xiàn)裝備制造向湖南裝備創(chuàng)造轉(zhuǎn)變；國(guó)家也應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)裝備制造業(yè)的投入，從財(cái)政政策上給予支持，降低企業(yè)R＆D的投入風(fēng)險(xiǎn)；增加裝備制造產(chǎn)業(yè)技術(shù)的外部供給；為企業(yè)人才引進(jìn)給予政策支持。實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型時(shí)期裝備制造業(yè)的發(fā)展。