產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)共生設(shè)計(jì)理論與方法

張?jiān)诜?，樊蓓?/p>

(上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200444)

0 引言

制造業(yè)與服務(wù)業(yè)相互交叉和融合，不但為制造業(yè)在一系列技術(shù)、市場(chǎng)等領(lǐng)域增添了競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，而且能夠幫助制造企業(yè)更好地滿足客戶個(gè)性化需求，產(chǎn)生更高利潤(rùn)并降低環(huán)境影響。在工業(yè)界，從工程機(jī)械、能源動(dòng)力、汽車電子，到海裝、航空、機(jī)器人等產(chǎn)業(yè)，均逐步或已經(jīng)走上服務(wù)型制造轉(zhuǎn)型發(fā)展的道路。為有效應(yīng)對(duì)這一轉(zhuǎn)變，產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)(Product Service System，PSS)應(yīng)運(yùn)而生。作為服務(wù)型制造的前沿理念，PSS整合供應(yīng)商、制造商、服務(wù)商等產(chǎn)業(yè)鏈上的多方主體，從全生命周期維度為客戶提供產(chǎn)品與服務(wù)集成的整體解決方案，在學(xué)術(shù)界和企業(yè)界受到了越來(lái)越廣泛的重視，并開展了大量理論方法研究與工程應(yīng)用實(shí)踐[1]。

服務(wù)和多主體的融入，在提升解決方案多樣化與競(jìng)爭(zhēng)性的同時(shí)，也構(gòu)成了更加復(fù)雜的設(shè)計(jì)空間。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論方法，如TRIZ理論、公理化設(shè)計(jì)等，已逐步推廣到PSS設(shè)計(jì)中。現(xiàn)有研究與應(yīng)用多是將產(chǎn)品設(shè)計(jì)理論方法拓展，兼顧服務(wù)設(shè)計(jì)特點(diǎn)而提出的產(chǎn)品與服務(wù)融合或集成設(shè)計(jì)方法。受限于固有的功能驅(qū)動(dòng)、實(shí)體建模等本質(zhì)特性，傳統(tǒng)理論方法很難有根本性的突破，而且不能從PSS本質(zhì)特征出發(fā)來(lái)構(gòu)建適配的PSS設(shè)計(jì)體系[1]。PSS在本質(zhì)上是共生系統(tǒng)，主要表現(xiàn)如下：

(1)多主體共生主體包括客戶、制造商、售后服務(wù)商、銷售服務(wù)商、金融服務(wù)商、運(yùn)營(yíng)服務(wù)商、社會(huì)環(huán)境等。這些主體以產(chǎn)品或服務(wù)為載體，通過(guò)共同作用參與PSS的全生命周期，進(jìn)而呈現(xiàn)出多樣化共生的特點(diǎn)，形成主體共生環(huán)境。對(duì)于不同的PSS，參與主體可能不同，如果為相同主體，則其參與度可能不同，主體的合作地位與參與策略也可能不同。

(2)產(chǎn)品服務(wù)共生PSS具有生產(chǎn)與消費(fèi)分離性(產(chǎn)品)，以及生產(chǎn)與消費(fèi)同時(shí)性(服務(wù))的“二象性”特點(diǎn)。產(chǎn)品與服務(wù)是兩類典型的異質(zhì)異構(gòu)對(duì)象，二者相互作用，在生命周期內(nèi)滿足客戶的使用需求。一方面，產(chǎn)品與服務(wù)相互依賴、相互作用，形成PSS；另一方面，產(chǎn)品和服務(wù)隨著使用與系統(tǒng)外的物質(zhì)、能量、信息等要素進(jìn)行流動(dòng)，其性能或狀態(tài)不斷變化，呈現(xiàn)出“使用結(jié)果”導(dǎo)向下的共同“生長(zhǎng)”現(xiàn)象，構(gòu)成異質(zhì)共生系統(tǒng)。

共生是PSS的存在狀態(tài)和發(fā)展動(dòng)力，其基于價(jià)值共創(chuàng)形成相互作用、彼此依賴、共同發(fā)展關(guān)系，是決定PSS在生命周期內(nèi)能否有效滿足客戶需求、實(shí)現(xiàn)客戶價(jià)值的關(guān)鍵。通過(guò)產(chǎn)品與服務(wù)相互作用和合作競(jìng)爭(zhēng)，形成共生均衡的PSS，能夠有效滿足客戶需求、創(chuàng)造客戶價(jià)值，價(jià)值共創(chuàng)是PSS的外部性，共生是其內(nèi)部性。因此，PSS是以共生為基本組織形式貫穿其整個(gè)生命周期，共生是設(shè)計(jì)基點(diǎn)也是過(guò)程，表現(xiàn)出產(chǎn)品與服務(wù)在生命周期共存下的互相依賴、合作競(jìng)爭(zhēng)和共同生長(zhǎng)。

顯然，現(xiàn)有研究和應(yīng)用多以融合、集成或統(tǒng)一作為關(guān)聯(lián)紐帶來(lái)應(yīng)對(duì)產(chǎn)品、服務(wù)及其支撐主體，將產(chǎn)品設(shè)計(jì)理論或服務(wù)理論方法拓展到PSS，構(gòu)建形式上的一體化集成設(shè)計(jì)體系，仍難以統(tǒng)籌多主體與產(chǎn)品和服務(wù)間的復(fù)雜作用關(guān)系及PSS的量化均衡，以至于無(wú)法有效實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的PSS方案來(lái)滿足客戶需求，從而實(shí)現(xiàn)共同價(jià)值。以共生為基石，研究PSS的共生機(jī)理、共生建模、共生設(shè)計(jì)與生長(zhǎng)估計(jì)方法，形成PSS的共生設(shè)計(jì)理論、方法與應(yīng)用研究體系，成為突破現(xiàn)有設(shè)計(jì)理論方法的局限性，有效解決當(dāng)前設(shè)計(jì)領(lǐng)域問(wèn)題的重要途徑。

1 產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)展

通過(guò)參考公開發(fā)表的文獻(xiàn)數(shù)量和期刊廣泛度，并結(jié)合文獻(xiàn)研究?jī)?nèi)容和深度來(lái)看，PSS研究大致經(jīng)歷了3個(gè)發(fā)展階段：①上世紀(jì)末到2006年，為概念提出與內(nèi)涵闡述階段，文獻(xiàn)研究主要聚焦于概念提出、內(nèi)涵闡述和案例總結(jié)，部分涉及體系架構(gòu)方面，不但發(fā)表的文獻(xiàn)數(shù)量少，而且期刊相對(duì)集中，以Journal of Cleaner Production等為主要期刊；②2007年到2011年，為初步發(fā)展階段，文獻(xiàn)研究開始拓展到PSS的體系、架構(gòu)和運(yùn)作等多方面，發(fā)表數(shù)量大幅增加，期刊開始擴(kuò)展，國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)報(bào)道逐漸增多，這一時(shí)期從研究思路、理論體系和決策方法等方面開始探討PSS的設(shè)計(jì)問(wèn)題；③2012年以后，為蓬勃發(fā)展階段，文獻(xiàn)研究開始從各個(gè)角度深入展開，包括價(jià)值探討、運(yùn)作機(jī)理、支撐網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)和決策方法等，發(fā)表數(shù)量激增，廣泛見(jiàn)諸于設(shè)計(jì)、制造、服務(wù)、管理、商業(yè)等相關(guān)領(lǐng)域的中外學(xué)術(shù)期刊。下面在簡(jiǎn)要綜述PSS概念內(nèi)涵與構(gòu)成的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)總結(jié)現(xiàn)有PSS設(shè)計(jì)體系、設(shè)計(jì)方法、支撐工具/系統(tǒng)等方面的研究進(jìn)展。

(1)PSS概念與構(gòu)成 Goedkoop等[2]從以產(chǎn)品與服務(wù)市場(chǎng)化組合來(lái)滿足客戶需求的角度，首次正式提出PSS的定義，這一定義逐步發(fā)展為由產(chǎn)品、服務(wù)及其支持網(wǎng)絡(luò)或基礎(chǔ)設(shè)施組成的系統(tǒng)[3]。PSS是一種利益主體間的系統(tǒng)化新型關(guān)系，能夠帶來(lái)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)和資源優(yōu)化模式[4]，其通常分為產(chǎn)品導(dǎo)向、功能導(dǎo)向和結(jié)果導(dǎo)向3種類型[5]，結(jié)果導(dǎo)向型是完全符合制造服務(wù)化的實(shí)現(xiàn)模式。在PSS構(gòu)成方面，有學(xué)者提出面向產(chǎn)品生命周期的體系[6]、數(shù)字化/網(wǎng)絡(luò)化的結(jié)構(gòu)體系[7-8]和工業(yè)PSS(IPS2)體系[9]等。

(2)PSS設(shè)計(jì)框架或體系 Alonso-Rasgado等[10]提出包括概念生成、系統(tǒng)辨識(shí)和集成設(shè)計(jì)過(guò)程的支持架構(gòu)；Kim等[11]給出PSS的基本設(shè)計(jì)過(guò)程及其功能建模思路；Baxter等[12]給出PSS設(shè)計(jì)的知識(shí)管理系統(tǒng)等；Zhang等[13]提出基于需求域、功能域和結(jié)構(gòu)域的設(shè)計(jì)體系，并采用擴(kuò)展質(zhì)量屋和物料清單(Bill of Materials，BOM)架構(gòu)輔助設(shè)計(jì)過(guò)程；Fargnoli等[14]提出客戶驅(qū)動(dòng)的PSS模塊化設(shè)計(jì)；Song等[15]提出面向PSS定制的設(shè)計(jì)框架，該框架以模塊化為基礎(chǔ)，能夠根據(jù)用戶需求靈活變化。

(3)設(shè)計(jì)方法 Aurich等[16]建立了一種面向生命周期的產(chǎn)品服務(wù)集成配置模型；Wang等[17]提出PSS的模塊化BOM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；Li等[18]提出一個(gè)支持PSS配置設(shè)計(jì)的雙層(服務(wù)配置層和產(chǎn)品配置層)協(xié)調(diào)優(yōu)化體系，以均衡解決客戶滿意度和銷售利潤(rùn)之間的沖突；Song等[19]提出基于粗糙集的PSS需求決策方法；Sheng等[20]提出PSS設(shè)計(jì)的模塊劃分方法和組態(tài)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)；Mourtzis等[21]研究了產(chǎn)品服務(wù)模塊化建模和基于矢量的PSS定制程度分析量化方法；Liu等[22]提出基于生命周期仿真評(píng)價(jià)的PSS并行設(shè)計(jì)方法。

(4)在設(shè)計(jì)支持工具或系統(tǒng)方面 Komoto等[23]提出集成生命周期仿真的PSS設(shè)計(jì)工具；Sakao等[24]提出一個(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)了輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)——服務(wù)資源管理器(service explorer)；Nemoto等[25]提出一個(gè)用于管理和利用PSS設(shè)計(jì)知識(shí)的開發(fā)系統(tǒng)，以支持設(shè)計(jì)人員創(chuàng)建產(chǎn)品和服務(wù)集成的組合創(chuàng)意；Zhu等[26]利用需求分析和知識(shí)管理技術(shù)開發(fā)了需求驅(qū)動(dòng)的PSS，并為設(shè)計(jì)提供支持決策，以滿足特定需求；Rondini等[27]將混合仿真建模技術(shù)作為一種業(yè)務(wù)流程模擬工具，來(lái)有效應(yīng)對(duì)可持續(xù)IPS2設(shè)計(jì)，以及評(píng)估中的動(dòng)態(tài)性和復(fù)雜性；Maleki等[28]定義了工業(yè)PSS的嵌入式傳感系統(tǒng)，提出傳感本體建模方法來(lái)構(gòu)建工業(yè)機(jī)械PSS智能服務(wù)體系；Zheng等[29]總結(jié)智能PSS的現(xiàn)有研究，提出基于混合云的PSS。

綜合來(lái)看，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理論方法，如傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程劃分、公理化設(shè)計(jì)中的“三個(gè)域”體系、產(chǎn)品模塊化、配置設(shè)計(jì)方法等，經(jīng)過(guò)擴(kuò)展和改進(jìn)，較多地應(yīng)用到了PSS設(shè)計(jì)中，同時(shí)現(xiàn)有研究工作在理論方法方面為PSS設(shè)計(jì)體系建立、設(shè)計(jì)過(guò)程支撐和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)打下了良好的基礎(chǔ)。許多研究分析了PSS價(jià)值共創(chuàng)和商業(yè)模式[30-32]，即PSS外部性，但缺乏對(duì)PSS內(nèi)部本質(zhì)的提煉，一方面是對(duì)共生本質(zhì)和機(jī)理認(rèn)識(shí)不足，將企業(yè)主體的參與模式簡(jiǎn)單化，設(shè)計(jì)時(shí)多采用制造商進(jìn)行單一主體實(shí)施設(shè)計(jì)，或者采用制造商—供應(yīng)商的設(shè)計(jì)模式，很難有效統(tǒng)籌多主體的利益或決策意見(jiàn)。從系統(tǒng)分析、規(guī)劃和實(shí)施角度而言，主體和產(chǎn)品服務(wù)在設(shè)計(jì)階段就應(yīng)當(dāng)整體規(guī)劃，充分分析、描述、表達(dá)、傳遞這些要素/主體間的共生關(guān)系，才能更好地反映實(shí)際問(wèn)題。

另一方面，對(duì)產(chǎn)品與服務(wù)“共同”滿足客戶需求的內(nèi)在本質(zhì)挖掘不深，導(dǎo)致外部商業(yè)運(yùn)營(yíng)一體化但內(nèi)部設(shè)計(jì)浮于形式統(tǒng)一(如統(tǒng)一建模、統(tǒng)一映射)，設(shè)計(jì)多采用產(chǎn)品與服務(wù)的融合開發(fā)或集成配置來(lái)應(yīng)對(duì)，導(dǎo)致應(yīng)用效果不能滿足實(shí)際需求[33]?？梢?jiàn)，關(guān)鍵不是形式化的統(tǒng)一，而是充分表征異質(zhì)異構(gòu)的產(chǎn)品與服務(wù)，及其共存下的相互作用與合作競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，并在設(shè)計(jì)過(guò)程中統(tǒng)籌多主體利益，保證設(shè)計(jì)決策均衡。另外，使用結(jié)果存在時(shí)間延伸和過(guò)程拓展，現(xiàn)在的PSS設(shè)計(jì)體系還不能有效集成或估計(jì)未來(lái)的運(yùn)行、維護(hù)等環(huán)節(jié)，并與之形成反饋。

傳統(tǒng)的協(xié)同優(yōu)化通過(guò)構(gòu)建產(chǎn)品統(tǒng)一利益下(即面向單一主體或視作單一主體)的設(shè)計(jì)環(huán)境來(lái)實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)優(yōu)化決策；雙層規(guī)劃模型(主從關(guān)系)通過(guò)博弈手段優(yōu)化設(shè)計(jì)，并成功應(yīng)用于供應(yīng)鏈和模塊化設(shè)計(jì)[34]。這些成為本項(xiàng)目設(shè)計(jì)協(xié)同和主體博弈策略的借鑒，而應(yīng)用于自然界、社會(huì)、商業(yè)等領(lǐng)域的生態(tài)系統(tǒng)理論[35-36]，為本項(xiàng)目在共生理論和共生架構(gòu)方面提供了借鑒。對(duì)于共生PSS，其組成產(chǎn)品與服務(wù)背后的主體不同，則“利益”追求各異，主導(dǎo)地位有別，呈現(xiàn)為合作競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，設(shè)計(jì)過(guò)程既要關(guān)注對(duì)需求的滿足，又要考慮個(gè)體利益，即強(qiáng)調(diào)個(gè)體的同時(shí)兼顧群體利益；產(chǎn)品與服務(wù)存在交互作用，強(qiáng)調(diào)著眼于全生命周期的使用結(jié)果導(dǎo)向。因此，需要提出多主體與產(chǎn)品服務(wù)共生環(huán)境下多樣化合競(jìng)博弈和生長(zhǎng)估計(jì)的融合方法論，來(lái)實(shí)現(xiàn)PSS共生設(shè)計(jì)。

2 產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)共生設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理論通常采用從客戶需求到功能再到結(jié)構(gòu)的串行映射方式，在配置/決策/優(yōu)化時(shí)考慮供應(yīng)商和制造商約束，確定設(shè)計(jì)方案。相對(duì)于這種單邊串行模式，提出多邊并行PSS共生設(shè)計(jì)體系，將過(guò)去的鏈?zhǔn)蕉嗉?jí)改變?yōu)榄h(huán)形多邊，以降低信息傳遞的層級(jí)，同時(shí)改變串行過(guò)程的往復(fù)迭代，采用多主體多要素的并行動(dòng)態(tài)權(quán)衡方法。體系架構(gòu)(如圖1)包括主體層、需求層、特征層、產(chǎn)品服務(wù)層，通過(guò)層內(nèi)的多邊協(xié)同和層間的吸引迭代實(shí)現(xiàn)PSS的共生設(shè)計(jì)和優(yōu)化。PSS的共生設(shè)計(jì)過(guò)程包括共生機(jī)理分析、共生建模、共生設(shè)計(jì)和生長(zhǎng)估計(jì)，以及相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)方法與技術(shù)。

2.1 共生設(shè)計(jì)機(jī)理

本文參照生態(tài)系統(tǒng)理論，圍繞PSS共生架構(gòu)來(lái)定義共生關(guān)系，包括競(jìng)爭(zhēng)、合作和生長(zhǎng)等。共生建模/決策過(guò)程可采用德?tīng)柗品ā咐评砑耙?guī)則學(xué)習(xí)相融合的方法，分類辨識(shí)PSS要素的多維共生關(guān)系。共生關(guān)系與常規(guī)約束關(guān)系的區(qū)別在于：共生具有外部性，是指在參數(shù)層或模塊層進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)各要素對(duì)外采取的決策策略；常規(guī)約束是內(nèi)部特性決定的外部關(guān)系，表現(xiàn)為依賴、互斥等，是參數(shù)、模塊從內(nèi)部需求出發(fā)，對(duì)外作用的關(guān)系表達(dá)。二者之間沒(méi)有必然的決定關(guān)系，例如發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)維修服務(wù)，二者雖然相互依賴，但其共生關(guān)系可以是合作也可以是競(jìng)爭(zhēng)。對(duì)于PSS共生設(shè)計(jì)，共生關(guān)系分類如下：

(1)設(shè)計(jì)競(jìng)爭(zhēng) PSS設(shè)計(jì)競(jìng)爭(zhēng)表現(xiàn)為設(shè)計(jì)主體、設(shè)計(jì)模塊不能共存或共存時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)資源進(jìn)行的爭(zhēng)奪，如偏害共生、互害共生、寄生，存在于設(shè)計(jì)主體間、產(chǎn)品內(nèi)部、服務(wù)內(nèi)部、產(chǎn)品服務(wù)之間，以及PSS與使用環(huán)境之間的競(jìng)爭(zhēng)采用競(jìng)爭(zhēng)策略，表現(xiàn)為設(shè)計(jì)模塊/參數(shù)競(jìng)爭(zhēng)(包括性能、成本等)、設(shè)計(jì)主體的地位競(jìng)爭(zhēng)和共存競(jìng)爭(zhēng)。

(2)設(shè)計(jì)合作 PSS設(shè)計(jì)合作指設(shè)計(jì)主體間、模塊間或參數(shù)間在共同約束下協(xié)同決策形成的設(shè)計(jì)上的一致利益導(dǎo)向，如互利共生、偏利共生、無(wú)關(guān)共生等，表現(xiàn)為模塊、參數(shù)間采用合作策略的決策協(xié)同。例如發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)維修服務(wù)的協(xié)同、發(fā)動(dòng)機(jī)制造商與減速器制造商以產(chǎn)品為載體的協(xié)同優(yōu)化、金融服務(wù)商與制造商的金融服務(wù)合作等。

(3)設(shè)計(jì)生長(zhǎng) PSS設(shè)計(jì)生長(zhǎng)指隨著PSS的使用，系統(tǒng)與系統(tǒng)外的物質(zhì)、能量、信息等進(jìn)行交換而發(fā)生的生長(zhǎng)演化，表現(xiàn)形式多樣，包括性能退化、維修提升、技術(shù)推動(dòng)的模塊改造或更新，商業(yè)推動(dòng)的技術(shù)改造等。

考慮客戶主體的全生命周期需求，制造商、服務(wù)商等主體以產(chǎn)品或服務(wù)作為設(shè)計(jì)載體，根據(jù)各自優(yōu)勢(shì)形成主體決策定位，并根據(jù)智能融合方法獲取的共生關(guān)系驅(qū)動(dòng)PSS共生設(shè)計(jì)。具體過(guò)程是針對(duì)PSS全生命周期的共生需求，集成共生關(guān)系與決策地位構(gòu)建共生決策模型，通過(guò)多次迭代和博弈設(shè)計(jì)共生均衡的PSS方案。在此基礎(chǔ)上，提出生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)理論方法來(lái)分析PSS系統(tǒng)隨時(shí)間變化的性能演化和系統(tǒng)穩(wěn)健性，然后利用反饋的結(jié)果完善PSS設(shè)計(jì)并再次迭代優(yōu)化。通過(guò)上述理論方法，可以構(gòu)建博弈與生長(zhǎng)相融合的共生設(shè)計(jì)方法論。

2.2 產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)共生建模

(1)共生網(wǎng)絡(luò)模型

通過(guò)定義PSS邊界劃分產(chǎn)品模塊和服務(wù)模塊，其中服務(wù)模塊包括活動(dòng)、流程和資源等，并采用能值分析方法，通過(guò)統(tǒng)一能值單位將構(gòu)成要素的多維度性能表現(xiàn)納入同一分析框架。然后從業(yè)務(wù)模式、結(jié)構(gòu)拓?fù)洹r(shí)空分布等角度出發(fā)，采用經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法分析異質(zhì)性構(gòu)成要素之間的相關(guān)性，辨識(shí)產(chǎn)品模塊、服務(wù)流程、服務(wù)活動(dòng)等異質(zhì)異構(gòu)體內(nèi)部以及相互之間的多樣化關(guān)聯(lián)關(guān)系(如結(jié)構(gòu)關(guān)系、流程順序關(guān)系、行為關(guān)系)；采用超網(wǎng)絡(luò)方法，依據(jù)PSS方案的模塊組成、共生關(guān)系和關(guān)聯(lián)關(guān)系定義超網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，分別匹配產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性特點(diǎn)和服務(wù)過(guò)程性特點(diǎn)，建立產(chǎn)品網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，將產(chǎn)品與服務(wù)間的多樣化關(guān)系定義為超邊，最終建立PSS共生網(wǎng)絡(luò)模型。

(2)共生特征模型

基于以使用結(jié)果為導(dǎo)向的客戶、制造商、服務(wù)商等多源共生需求，多主體感知和PSS特征(包括功能、質(zhì)量等技術(shù)描述)，采用結(jié)構(gòu)方程模型(Structure Equation Model, SEM)建立面向PSS的共生需求——共生特征模型，辨識(shí)系統(tǒng)特征對(duì)共生需求的作用路徑和影響系數(shù)。定義外源測(cè)量變量(如系統(tǒng)特征)、外源潛在變量(如主體感知、內(nèi)生潛在變量、內(nèi)生測(cè)量變量等)，以及外源間與內(nèi)生間的因子載荷矩陣和影響關(guān)系，通過(guò)“假設(shè)—驗(yàn)證—更新—驗(yàn)證”迭代構(gòu)建結(jié)構(gòu)模型和測(cè)量模型，消除變量中存在的矛盾、歧義和冗余，表征用戶感知的因果關(guān)系并描述主體感知與測(cè)量指標(biāo)之間的一致性關(guān)系。利用驗(yàn)證性因子分析檢驗(yàn)主體感知與共生需求、系統(tǒng)特征等測(cè)量指標(biāo)關(guān)系的密切程度，通過(guò)計(jì)算因子載荷大小、檢驗(yàn)顯著性并評(píng)價(jià)適配度，確定最優(yōu)共生需求——共生特征SEM模型，進(jìn)而通過(guò)載荷因子矩陣、效應(yīng)度和主體感知估計(jì)確定PSS共生特征。

(3)共生吸引模型

PSS共生設(shè)計(jì)過(guò)程中，各層要素間的共生吸引能夠驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)對(duì)象的跨層轉(zhuǎn)化，為簡(jiǎn)化討論，以PSS特征層和產(chǎn)品服務(wù)層為例介紹共生吸引模型。

以PSS共生特征為驅(qū)動(dòng)，通過(guò)主體記憶衰減函數(shù)和當(dāng)期綜合期望定義主體意愿函數(shù)；計(jì)算PSS模塊與共生特征集合的作用矩陣和內(nèi)生影響，以及二者之間的成本估計(jì)，建立共生特征與系統(tǒng)模塊間的吸引力表達(dá)。通過(guò)主體意愿與吸引力疊加計(jì)算共生設(shè)計(jì)的吸引域，形成共生設(shè)計(jì)模塊可選集合。

主體意愿函數(shù)

H(x,Y)=∑km(x,t)+∑h(x,Y)，

(1)

吸引力的基本數(shù)學(xué)形式為

(2)

式中：x表示產(chǎn)品服務(wù)模塊集合中的一個(gè)，x∈X；y表示共生特征集合Y中的一項(xiàng)，y∈Y；f(x,y)為模塊x對(duì)特征y的滿足度；C(x,Y)為特征集合Y下模塊x的成本區(qū)間估計(jì)；D(x,Y)為特征集合Y下模塊x的吸引力。

共生吸引模型的基本數(shù)學(xué)形式為

G(x,Y)=P(H(x,Y)+D(x,Y))。(3)

式中：P(·)表示參與意愿與吸引力的疊加函數(shù)；G(x,Y)為共生吸引函數(shù)。

2.3 產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)的共生設(shè)計(jì)方法

PSS共生設(shè)計(jì)面向多主體、產(chǎn)品與服務(wù)的多層次復(fù)雜對(duì)象，是一個(gè)共生博弈的決策過(guò)程，本文分別從共生博弈方法、“系統(tǒng)級(jí)—模塊級(jí)—參數(shù)級(jí)”協(xié)同設(shè)計(jì)等方面展開研究。

2.3.1 共生博弈方法

共生博弈方法采用品牌、技術(shù)、市場(chǎng)、能力等多維度指標(biāo)辨識(shí)多主體的優(yōu)勢(shì)、被動(dòng)或平等地位，確定主體在共生設(shè)計(jì)中的地位，通過(guò)共生關(guān)系明確其合作策略。在共生設(shè)計(jì)吸引域和參數(shù)域內(nèi)，根據(jù)對(duì)象利益導(dǎo)向定義共生目標(biāo)和設(shè)計(jì)約束(如作用約束、成本約束等)，集成共生關(guān)系與競(jìng)爭(zhēng)地位建立共生決策模型，然后通過(guò)協(xié)同優(yōu)化或博弈迭代得到PSS共生均衡設(shè)計(jì)結(jié)果。依據(jù)共生對(duì)象的合作意愿將PSS共生設(shè)計(jì)分為合作共生設(shè)計(jì)和競(jìng)爭(zhēng)共生設(shè)計(jì)，結(jié)合設(shè)計(jì)地位的不同可進(jìn)一步劃分為平等或不平等合作共生、平等或不平等競(jìng)爭(zhēng)共生等設(shè)計(jì)模式。具體的決策模型和決策機(jī)制如下：

(1)合作共生設(shè)計(jì)

圍繞共生目標(biāo)，設(shè)計(jì)對(duì)象采取共同合作的策略實(shí)施共生設(shè)計(jì)。考慮到設(shè)計(jì)對(duì)象的競(jìng)爭(zhēng)地位不同(分為優(yōu)勢(shì)對(duì)象、被動(dòng)對(duì)象或平等對(duì)象)，存在平等合作或不平等合作，本文分別提出平等合作共生設(shè)計(jì)方法和不平等合作共生設(shè)計(jì)方法。不失一般性，下面的共生設(shè)計(jì)方法模型均從兩個(gè)對(duì)象來(lái)論述基本形式。

1)平等合作共生方法的基本形式如下：

maxF(x,y)。

(4)

s.t.

S(x,y)≤0；

J(x,y)≤0。

式中：x,y為決策變量；F(x,y)為共生目標(biāo)函數(shù)；S(x,y)和J(x,y)分別為兩個(gè)對(duì)象的約束條件。在共生設(shè)計(jì)域內(nèi)以共生參數(shù)域?yàn)榧s束范圍構(gòu)建約束條件，包括參數(shù)約束、作用約束等。

平等對(duì)象以合作共生時(shí)，根據(jù)共生目標(biāo)函數(shù)以及兩個(gè)對(duì)象的約束條件共同做出決策。在此情境中，兩個(gè)對(duì)象的利益一致，即注重整體目標(biāo)而非個(gè)體目標(biāo)，其決策過(guò)程演變?yōu)楣餐s束下共生目標(biāo)的協(xié)同優(yōu)化。

2)不平等合作共生方法的基本形式如下：

maxF(x,y)。

(5)

s.t.

S(x,y)≤0。

其中y是下面問(wèn)題的解：

maxf(x,y)。

s.t.

J(x,y)≤0；

s(x,y)≤0。

式中：x,y為決策變量；F(x,y)和f(x,y)分別為優(yōu)勢(shì)對(duì)象和被動(dòng)對(duì)象的目標(biāo)函數(shù)；S(x,y)和s(x,y)均為優(yōu)勢(shì)對(duì)象的約束條件，此處s(x,y)是S(x,y)的全集或子集；J(x,y)為被動(dòng)對(duì)象的約束條件。

不平等對(duì)象以合作共生時(shí)，根據(jù)共生目標(biāo)做出決策。其中，優(yōu)勢(shì)對(duì)象根據(jù)自身目標(biāo)和約束條件首先做出決策，被動(dòng)對(duì)象根據(jù)優(yōu)勢(shì)對(duì)象的決策結(jié)果、自身約束及部分或全部?jī)?yōu)勢(shì)對(duì)象的約束做出被動(dòng)決策，并反饋給優(yōu)勢(shì)對(duì)象，形成迭代優(yōu)化，從而獲得優(yōu)化解。該情境中的優(yōu)勢(shì)對(duì)象占據(jù)共生的主導(dǎo)地位，由于為合作策略，其可通過(guò)自身部分或全部約束參與被動(dòng)對(duì)象的決策過(guò)程，達(dá)到控制被動(dòng)對(duì)象決策方向的目的。

(2)競(jìng)爭(zhēng)共生設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)對(duì)象圍繞共生目標(biāo)采取競(jìng)爭(zhēng)策略，實(shí)施共生設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)模式分為平等競(jìng)爭(zhēng)和不平等競(jìng)爭(zhēng)。

1)平等競(jìng)爭(zhēng)共生方法的基本形式如下：

maxF(f1(x,y),f2(x,y))。

(6)

s.t.

maxf1(x,y)；

s.t.

S(x,y)≤0；

maxf2(x,y)；

s.t.

J(x,y)≤0。

式中：x,y為決策變量；F(·)為共生目標(biāo)函數(shù)；f1(x,y)和f2(x,y)分別為兩個(gè)對(duì)象的目標(biāo)函數(shù)；S(x,y)和J(x,y)分別為兩個(gè)對(duì)象的約束條件。

平等對(duì)象以競(jìng)爭(zhēng)共生時(shí)，圍繞共生目標(biāo)，分別根據(jù)自身約束和個(gè)體目標(biāo)獨(dú)立做出決策，通過(guò)博弈迭代形成最終的共生決策結(jié)果。在這一過(guò)程中，兩個(gè)對(duì)象首先根據(jù)各自目標(biāo)函數(shù)和約束做出單獨(dú)決策，通過(guò)決策結(jié)果計(jì)算共生目標(biāo)函數(shù)，設(shè)置競(jìng)爭(zhēng)博弈Nash均衡條件進(jìn)行迭代優(yōu)化，獲得最終的博弈均衡結(jié)果。在此情境中，兩個(gè)對(duì)象是競(jìng)爭(zhēng)博弈，在確保各自利益的前提下，通過(guò)博弈均衡確定共生目標(biāo)。

2)不平等競(jìng)爭(zhēng)共生方法的基本形式如下：

maxF(x,y)。

(7)

s.t.

S(x,y)≤0。

其中y為下面問(wèn)題的解：

maxf(x,y)。

s.t.

J(x,y)≤0。

式中：x,y為決策變量；F(x,y)和f(x,y)分別為優(yōu)勢(shì)對(duì)象與被動(dòng)對(duì)象的目標(biāo)函數(shù)；S(x,y)為優(yōu)勢(shì)對(duì)象的約束條件；J(x,y)為被動(dòng)對(duì)象的約束條件。

不平等對(duì)象以競(jìng)爭(zhēng)共生時(shí)，根據(jù)共生目標(biāo)函數(shù)做出決策。其中，優(yōu)勢(shì)對(duì)象首先根據(jù)自身的目標(biāo)函數(shù)和約束條件做出決策，被動(dòng)對(duì)象根據(jù)優(yōu)勢(shì)對(duì)象的決策結(jié)果與自身約束做出被動(dòng)決策，并反饋給優(yōu)勢(shì)對(duì)象。在此情境中，優(yōu)勢(shì)對(duì)象占據(jù)共生的主導(dǎo)地位，首先根據(jù)自身利益做出決策，進(jìn)而影響被動(dòng)對(duì)象的決策，由于為競(jìng)爭(zhēng)策略，優(yōu)勢(shì)對(duì)象不能控制被動(dòng)對(duì)象的決策。

由于決策變量、狀態(tài)空間和優(yōu)化目標(biāo)眾多，共生博弈模型求解是一個(gè)典型的NP-hard問(wèn)題，可以采用智能化求解策略，如遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法等進(jìn)行尋優(yōu)。

2.3.2 產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)共生設(shè)計(jì)

PSS共生設(shè)計(jì)采用遞進(jìn)方式進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，該過(guò)程劃分為系統(tǒng)級(jí)、模塊級(jí)和參數(shù)級(jí)3個(gè)層次(如圖2)。每一層級(jí)根據(jù)要素間的合作、競(jìng)爭(zhēng)、平等、不平等關(guān)系進(jìn)行細(xì)分，然后匹配不同設(shè)計(jì)策略和方法來(lái)進(jìn)行共生設(shè)計(jì)。采用“系統(tǒng)級(jí)—模塊級(jí)—參數(shù)級(jí)”遞進(jìn)方式建立共生設(shè)計(jì)架構(gòu)，首先建立PSS架構(gòu)，然后確定模塊方案和相關(guān)參數(shù)進(jìn)行PSS共生設(shè)計(jì)，在具體的設(shè)計(jì)過(guò)程中存在平等和不平等的主體地位以及合作和競(jìng)爭(zhēng)的共生關(guān)系，即形成合作共生—合作共生、合作共生—競(jìng)爭(zhēng)共生、競(jìng)爭(zhēng)共生—合作共生、競(jìng)爭(zhēng)共生—競(jìng)爭(zhēng)共生等多種融合方式。下面以系統(tǒng)

級(jí)共生設(shè)計(jì)展開論述，系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)根據(jù)不同共生關(guān)系和策略分為合作和競(jìng)爭(zhēng)兩種設(shè)計(jì)模式，模塊級(jí)或參數(shù)級(jí)共生設(shè)計(jì)方法參考系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)決策過(guò)程。

(1)系統(tǒng)級(jí)合作共生設(shè)計(jì) 根據(jù)平等合作共生設(shè)計(jì)決策，各主體圍繞產(chǎn)品服務(wù)設(shè)計(jì)變量，根據(jù)全部約束共同進(jìn)行決策，從而取得優(yōu)化解，在此基礎(chǔ)上建立PSS方案架構(gòu)，確定系統(tǒng)模塊功能、性能、數(shù)量、接口等；或者根據(jù)不平等合作共生設(shè)計(jì)決策，以優(yōu)勢(shì)主體主導(dǎo)設(shè)計(jì)決策，通過(guò)給定約束控制被動(dòng)主體決策方向，主導(dǎo)建立PSS方案架構(gòu)，最后通過(guò)合作共生來(lái)確定系統(tǒng)模塊。

(2)系統(tǒng)級(jí)競(jìng)爭(zhēng)共生設(shè)計(jì) 根據(jù)平等競(jìng)爭(zhēng)共生設(shè)計(jì)決策，各主體獨(dú)立決策并迭代優(yōu)化，獲得競(jìng)爭(zhēng)博弈均衡解，進(jìn)而建立PSS方案架構(gòu)，確定系統(tǒng)模塊功能、性能、數(shù)量、接口等；或根據(jù)不平等競(jìng)爭(zhēng)共生設(shè)計(jì)決策，優(yōu)勢(shì)主體在考慮被動(dòng)主體反饋的基礎(chǔ)上獲得優(yōu)化解，主導(dǎo)建立PSS方案架構(gòu)。

2.4 產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)生長(zhǎng)估計(jì)

基于共生網(wǎng)絡(luò)模型和節(jié)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)，采用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)動(dòng)力學(xué)方法[37]構(gòu)建PSS共生網(wǎng)絡(luò)生長(zhǎng)模型。生長(zhǎng)過(guò)程中主要存在的行為或變化有模塊或節(jié)點(diǎn)增減、模塊性能變化、連接邊增減、連接關(guān)系變化。

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)生長(zhǎng)中的輸入包括關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)輸入和系統(tǒng)外輸入：

u(t)=(u1(t),u2(t),…,um(t))T

=KX(t)+LZ(t)。

(8)

式中：K為PSS網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的外耦合矩陣；L為輸入控制矩陣；Z(t)為輸入控制變量，表示PSS與外部的信息交換或能量交換。

通過(guò)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)、耦合矩陣、關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)和系統(tǒng)外部變量表達(dá)節(jié)點(diǎn)增減或性能變化，以及連接邊增減或變化。采用變量設(shè)計(jì)矩陣Q表示PSS的共生和關(guān)聯(lián)關(guān)系，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)動(dòng)力學(xué)模型：

KX(t)+LZ(t)。

(9)

基于PSS網(wǎng)絡(luò)動(dòng)力學(xué)，結(jié)合共生網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和指標(biāo)估計(jì)系統(tǒng)生長(zhǎng)。針對(duì)可能的風(fēng)險(xiǎn)(如備件缺貨、服務(wù)延遲、零部件故障等)，基于耗散結(jié)構(gòu)系統(tǒng)理論和蒙特卡洛方法構(gòu)建穩(wěn)健性評(píng)估算法，將先驗(yàn)概率知識(shí)作為評(píng)價(jià)輸入進(jìn)行系統(tǒng)生長(zhǎng)估計(jì)，并將估計(jì)結(jié)果反饋回PSS共生設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)共生設(shè)計(jì)優(yōu)化并形成閉環(huán)。

3 應(yīng)用探討

本文以機(jī)床行業(yè)為例開展數(shù)控機(jī)床PSS共生設(shè)計(jì)的初步應(yīng)用分析，如圖3所示。圍繞某型號(hào)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品梳理數(shù)控機(jī)床PSS的所有參與主體，包括客戶、制造商、供應(yīng)商、服務(wù)商等，結(jié)合數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、模塊和服務(wù)過(guò)程、資源數(shù)據(jù)建立數(shù)控機(jī)床PSS超網(wǎng)絡(luò)模型?；谠O(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和調(diào)研辨識(shí)多主體之間、PSS內(nèi)不同層級(jí)要素間的共生關(guān)系，細(xì)分合作、競(jìng)爭(zhēng)和平等、不平等類別。采用SEM描述共生需求和共生特征，構(gòu)建共生設(shè)計(jì)環(huán)境。在此基礎(chǔ)上，基于數(shù)控機(jī)床制造商、供應(yīng)商等等各主體意圖和需求，以共生吸引為交互途徑，構(gòu)建數(shù)控機(jī)床PSS模塊的共生吸引模型，形成數(shù)控機(jī)床PSS的共生設(shè)計(jì)可行域?；诒疚奶岢龅亩鄻踊O(shè)計(jì)博弈方法，在“參數(shù)—模塊—系統(tǒng)—產(chǎn)品—服務(wù)”間構(gòu)建共生設(shè)計(jì)博弈，確定優(yōu)化的PSS方案。通過(guò)所提網(wǎng)絡(luò)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行數(shù)控機(jī)床PSS生長(zhǎng)估計(jì)，并將生長(zhǎng)估計(jì)結(jié)果反饋到PSS方案，形成閉環(huán)設(shè)計(jì)，以進(jìn)一步改善設(shè)計(jì)方案。由此，在PSS共生的每個(gè)階段能夠充分考慮相關(guān)設(shè)計(jì)要素和主體，通過(guò)充分地設(shè)計(jì)統(tǒng)籌和博弈分析有效保障設(shè)計(jì)的可行性、可靠性和合理性，為工程應(yīng)用提供新的理論支持。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文充分討論了PSS的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)本質(zhì)，在分析總結(jié)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，研究并提出PSS共生設(shè)計(jì)理論與方法。首先構(gòu)建了PSS五層設(shè)計(jì)體系，包括主體層、需求層、特征層、產(chǎn)品服務(wù)層與生長(zhǎng)層，通過(guò)共生吸引驅(qū)動(dòng)層間轉(zhuǎn)化；然后提出PSS共生設(shè)計(jì)機(jī)理、共生模型、共生設(shè)計(jì)和生長(zhǎng)估計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法與技術(shù)，解決了共生建模、多樣化共生設(shè)計(jì)博弈和設(shè)計(jì)生長(zhǎng)演化等關(guān)鍵問(wèn)題，并通過(guò)數(shù)控機(jī)床PSS設(shè)計(jì)進(jìn)行了初步應(yīng)用驗(yàn)證。本文突破原有設(shè)計(jì)理論的單邊串行模式，構(gòu)建了多邊并行設(shè)計(jì)體系，為PSS設(shè)計(jì)提供了新的理論方法與實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

共生設(shè)計(jì)是基于設(shè)計(jì)過(guò)程相關(guān)要素的相互作用、彼此依賴和共同發(fā)展關(guān)系提出的新模式，數(shù)字孿生技術(shù)是PSS共生設(shè)計(jì)的有力支撐，其可以通過(guò)虛實(shí)孿生下的過(guò)程演進(jìn)機(jī)制與方法分析PSS共生過(guò)程，將共生空間從物理空間拓展到虛擬空間。后續(xù)將著重研究基于數(shù)字孿生技術(shù)的PSS共生設(shè)計(jì)體系拓展和技術(shù)實(shí)現(xiàn)。