汽車(chē)模塊化產(chǎn)品平臺(tái)方法研究

陳剛樺，瞿美姣

(廣汽集團(tuán)汽車(chē)工程研究院智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)研發(fā)中心，廣東廣州 511434)

0 引言

隨著個(gè)人生活水平的提高以及技術(shù)的發(fā)展，用戶(hù)對(duì)汽車(chē)功能的需求日益多變，汽車(chē)功能發(fā)展日趨豐富。為滿(mǎn)足用戶(hù)多變的需求，汽車(chē)產(chǎn)品定位逐漸由傳統(tǒng)機(jī)電類(lèi)產(chǎn)品向互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品轉(zhuǎn)變，汽車(chē)功能迭代速度不斷提高，汽車(chē)市場(chǎng)環(huán)境日趨激烈。

汽車(chē)產(chǎn)品作為復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品，其開(kāi)發(fā)必須投入大量的時(shí)間和資金，并需要嚴(yán)格遵守設(shè)計(jì)及驗(yàn)證流程，以保證產(chǎn)品整體壽命要求及系統(tǒng)穩(wěn)定性要求，汽車(chē)產(chǎn)品研發(fā)流程如圖1所示。因此，有效控制汽車(chē)產(chǎn)品長(zhǎng)周期、高成本是當(dāng)下急需解決的重要問(wèn)題。而基于大規(guī)模定制技術(shù)是解決上述矛盾的關(guān)鍵技術(shù)手段[1]。

圖1 汽車(chē)產(chǎn)品研發(fā)流程

大規(guī)模定制技術(shù)通過(guò)將定制產(chǎn)品研發(fā)制造流程，通過(guò)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)或研發(fā)制造流程的重組，全部或部分轉(zhuǎn)化為批量研發(fā)制造過(guò)程，使產(chǎn)品在適配差異化需求的同時(shí)，又能兼顧批量制造的經(jīng)濟(jì)性[1]。而建立模塊化產(chǎn)品平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模定制的關(guān)鍵手段[2]。

在現(xiàn)有模塊化產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)研究中，主要集中在平臺(tái)模塊識(shí)別方法上，并以此為依據(jù)構(gòu)建模塊化產(chǎn)品平臺(tái)。劉曦澤等[3]根據(jù)各模塊在系列產(chǎn)品中的復(fù)用率識(shí)別出平臺(tái)模塊。樊蓓蓓等[4-5]對(duì)系列化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，以不同產(chǎn)品之間模塊的相似程度為依據(jù)識(shí)別平臺(tái)模塊。

然而，現(xiàn)有模塊化產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)方法沒(méi)有考慮產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的周期和成本等信息，無(wú)法有效控制產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期及成本，無(wú)法有效解決現(xiàn)有汽車(chē)產(chǎn)品中周期長(zhǎng)、成本高的問(wèn)題。

針對(duì)已有研究中存在的問(wèn)題，本文作者進(jìn)一步考慮產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中的周期、成本等因素，并以此為依據(jù)構(gòu)建模塊化產(chǎn)品平臺(tái)，為縮短系列產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、降低產(chǎn)品研發(fā)成本奠定了基礎(chǔ)。

1 模塊化產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)流程

模塊化產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)流程分為4個(gè)步驟：設(shè)計(jì)需求分析階段、模塊關(guān)聯(lián)影響分析、模塊變更影響分析階段、產(chǎn)品平臺(tái)模塊，如圖 2所示。

圖2 模塊化產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)步驟

(1)設(shè)計(jì)需求分析階段

在產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)前，首先需要?jiǎng)澐之a(chǎn)品系列，收集產(chǎn)品平臺(tái)的設(shè)計(jì)需求。

產(chǎn)品平臺(tái)的設(shè)計(jì)需求可以通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研、國(guó)家政策解讀、競(jìng)品車(chē)型對(duì)標(biāo)、企業(yè)技術(shù)路線規(guī)劃等渠道收集。從獲取到的設(shè)計(jì)需求中識(shí)別出差異化需求及固定需求，確定產(chǎn)品平臺(tái)的能力范圍。

最后將平臺(tái)設(shè)計(jì)需求映射到產(chǎn)品的各個(gè)模塊上，分析各模塊受設(shè)計(jì)需求變更的影響情況。

(2)模塊關(guān)聯(lián)影響分析階段

由于各個(gè)模塊之間存在關(guān)聯(lián)影響關(guān)系，模塊的變更可能會(huì)引起周邊關(guān)聯(lián)模塊的變更。在產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要從模塊之間的機(jī)械關(guān)聯(lián)性、電氣關(guān)聯(lián)性等維度分析模塊之間的變更影響情況。

(3)模塊變更影響分析階段

由于應(yīng)用模塊化產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)的目的在于縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期和成本，而產(chǎn)品的研發(fā)周期和成本是由各個(gè)模塊的研發(fā)周期和成本決定的。因此，需要對(duì)各個(gè)模塊的研發(fā)周期和成本進(jìn)行分析，識(shí)別出對(duì)產(chǎn)品整體研發(fā)周期及成本影響較大的模塊，通過(guò)對(duì)這些模塊進(jìn)行平臺(tái)化設(shè)計(jì)，控制產(chǎn)品整體研發(fā)周期及成本。

(4)產(chǎn)品平臺(tái)模塊識(shí)別階段

傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品在生產(chǎn)制造過(guò)程中，受生產(chǎn)工藝、設(shè)備、關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)的制約，在生產(chǎn)過(guò)程中，無(wú)法通過(guò)柔性調(diào)整參數(shù)來(lái)構(gòu)建不同的產(chǎn)品實(shí)例。因此傳統(tǒng)模塊化產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)方法將模塊分為3個(gè)類(lèi)別：通用模塊、可選模塊、定制模塊，其中平臺(tái)模塊包括通用模塊及可選模塊。

汽車(chē)作為復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品，其存在部分模塊可以通過(guò)柔性調(diào)節(jié)參數(shù)來(lái)構(gòu)建不同模塊實(shí)例的模塊。這部分模塊的參數(shù)調(diào)整不會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)設(shè)備和關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)的變更，能夠柔性地適應(yīng)設(shè)計(jì)需求及關(guān)聯(lián)模塊的變更。這類(lèi)模塊可定義為參數(shù)化模塊。相比可選模塊，參數(shù)化模塊能夠更好地滿(mǎn)足不同的客戶(hù)需求。

文中將模塊化產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)方法將模塊分為4個(gè)類(lèi)別：通用模塊、可選模塊、參數(shù)化模塊、定制模塊，其中平臺(tái)模塊包括通用模塊、可選模塊及參數(shù)化模塊。各類(lèi)型模塊定義見(jiàn)表1。

表1 產(chǎn)品模塊類(lèi)型定義

2 模塊化產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)

模塊化產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3 模塊化產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)流程

2.1 設(shè)計(jì)需求分析

通過(guò)設(shè)計(jì)需求分析，可以確定差異化需求對(duì)模塊的影響程度。文中定義模塊變異指數(shù)CPI來(lái)反映差異化需求對(duì)模塊的影響程度：CPI越大，差異化需求對(duì)模塊的影響程度越大，模塊越可能發(fā)生變更。利用QFD工具建立設(shè)計(jì)需求與模塊之間的映射關(guān)系，計(jì)算出模塊的變異指數(shù)CPI。

設(shè)需求集合為DR={DR1，DR2，…，DRl}，設(shè)模塊集合為M={M1，M2，…，Mn}，構(gòu)建設(shè)計(jì)需求-模塊相關(guān)性矩陣A=[aij]，如圖3(a)所示。其中ri(i=1,2,…,l)為設(shè)計(jì)需求i的權(quán)重，aij(i=1,2,…,l；j=1,2,…,n)表示設(shè)計(jì)需求i對(duì)模塊j的影響程度，其強(qiáng)度定義為：關(guān)聯(lián)強(qiáng)—9，關(guān)聯(lián)較大—7，關(guān)聯(lián)中等—5，關(guān)聯(lián)較小—3，無(wú)關(guān)聯(lián)—0。

CPI為模塊變異指數(shù)，表示模塊j受需求i影響的總強(qiáng)度，計(jì)算公式為：

(1)

模塊的變異指數(shù)CPI越大，表示模塊受客戶(hù)變化需求影響的程度越大，模塊發(fā)生變更的可能性越大。

2.2 模塊關(guān)聯(lián)影響分析

在汽車(chē)等復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品中，模塊的變更會(huì)因?yàn)槟K與模塊之間的耦合關(guān)系而影響到相鄰模塊。

文中從模塊結(jié)構(gòu)、接口、材料、信號(hào)傳輸4個(gè)方面考慮模塊變更對(duì)其余模塊的影響。構(gòu)建模塊傳播影響相關(guān)性矩陣T=[Tij]，如圖3(b)所示。其中，bij(i,j=1,2,…,n)表示模塊i變更對(duì)模塊j的影響程度，其影響強(qiáng)度定義同上；CTI表示模塊變更傳播指數(shù)，計(jì)算公式為:

(2)

CTI越大，表示該模塊受其他模塊變更的影響越大，該模塊發(fā)生變更的可能性越大。

2.3 模塊變更影響因素分析

為了更好地識(shí)別出對(duì)汽車(chē)產(chǎn)品等復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品研發(fā)周期及成本有重大影響的模塊，有必要對(duì)模塊變更的研發(fā)周期及成本等影響因素進(jìn)行評(píng)估。

分析模塊變更影響因素時(shí)，應(yīng)該從模塊單品變更及整車(chē)變更兩個(gè)維度去考慮模塊變更的影響。構(gòu)建模塊變更影響相關(guān)性矩陣E=[Eij]，如圖3(c)所示。其中，cij(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)表示影響因素i變更對(duì)模塊j的影響程度，其影響強(qiáng)度定義同上；CEI表示模塊變更影響指數(shù)，計(jì)算公式為:

(3)

CEI越大，表示該模塊變更引起的周期及成本的代價(jià)越高。

2.4 產(chǎn)品平臺(tái)模塊識(shí)別

根據(jù)第2.1、2.2、2.3節(jié)獲得的各模塊變異指數(shù)CPI、模塊變更傳播指數(shù)CTI和模塊變更影響指數(shù)CEI，綜合分析3個(gè)指標(biāo)來(lái)確定模塊類(lèi)型，如圖3(d)所示。

(1)通用模塊識(shí)別

當(dāng)模塊受客戶(hù)變化需求和其他模塊的影響較小時(shí)，這類(lèi)模塊應(yīng)通過(guò)魯棒設(shè)計(jì)等方式將其確定為通用模塊，提升模塊實(shí)例的通用型，擴(kuò)大批量經(jīng)濟(jì)效益。通用模塊的識(shí)別準(zhǔn)則為：CPI和CTI都較小。

(2)可選模塊識(shí)別

當(dāng)模塊受差異化需求或相鄰模塊變更的影響較大而發(fā)生變更，且該變更引起的周期及成本的代價(jià)也較大時(shí)，這類(lèi)模塊應(yīng)通過(guò)魯棒設(shè)計(jì)將其細(xì)分為系列化模塊，通過(guò)選配產(chǎn)品平臺(tái)中的模塊實(shí)例實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品設(shè)計(jì)，從而避免由于開(kāi)發(fā)新模塊實(shí)例而導(dǎo)致產(chǎn)品研發(fā)周期變長(zhǎng)，或研發(fā)費(fèi)用上漲?？蛇x模塊的識(shí)別準(zhǔn)則為：CPI或CTI較大，且CEI較大。

(3)參數(shù)化模塊識(shí)別

當(dāng)模塊因差異化需求或相鄰模塊變更的影響而導(dǎo)致變更，但該變更引起的周期及成本的代價(jià)也較小時(shí)，這類(lèi)模塊可以采用柔性設(shè)計(jì)來(lái)適應(yīng)差異化需求或相鄰模塊變更。參數(shù)化模塊的識(shí)別準(zhǔn)則為：CPI或CTI較大，但CEI較小。

3 汽車(chē)模塊化產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

隨著汽車(chē)技術(shù)日益發(fā)展，汽車(chē)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度也日益提升，通過(guò)模塊劃分技術(shù)，可將汽車(chē)零部件劃分為十大模塊，如表2所示。

表2 汽車(chē)模塊劃分

3.1 汽車(chē)產(chǎn)品平臺(tái)模塊識(shí)別

首先通過(guò)市場(chǎng)需求分析、用戶(hù)調(diào)研等方式，整理汽車(chē)設(shè)計(jì)需求，如表 3所示。

表3 汽車(chē)產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求

并在此基礎(chǔ)上規(guī)劃汽車(chē)產(chǎn)品系列，如圖 4所示。

圖4 汽車(chē)產(chǎn)品系列規(guī)劃

由于車(chē)輛用途及設(shè)計(jì)風(fēng)格屬于高度定制化需求，且對(duì)車(chē)輛鈑金造型、結(jié)構(gòu)有高度影響，與車(chē)身模塊強(qiáng)相關(guān)，因此車(chē)身模塊屬于定制化模塊。

分析設(shè)計(jì)需求與其他模塊之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，構(gòu)建設(shè)計(jì)需求-模塊相關(guān)性矩陣，計(jì)算出模塊變異指數(shù)CPI，如圖 5(a)所示；根據(jù)各模塊之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，構(gòu)建模塊傳播影響相關(guān)性矩陣，計(jì)算出模塊變更傳播指數(shù)CTI，如圖5(b)所示；根據(jù)主機(jī)廠過(guò)往開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)及數(shù)據(jù)積累，分析各個(gè)模塊的變更影響情況。文中從單品設(shè)計(jì)驗(yàn)證和整車(chē)設(shè)計(jì)驗(yàn)證兩個(gè)方面考慮汽車(chē)模塊變更影響因素，構(gòu)建塊變更影響相關(guān)性矩陣，計(jì)算出模塊變更影響指數(shù)CEI，如圖5(c)所示；各模塊計(jì)算結(jié)果如圖5(d)所示。

圖5 汽車(chē)模塊影響分析

根據(jù)各模塊變異指數(shù)CPI、模塊變更傳播指數(shù)CTI和模塊變更影響指數(shù)CEI，根據(jù)第2.4節(jié)的模塊類(lèi)型識(shí)別原則，識(shí)別出各模塊的類(lèi)型，并構(gòu)建模塊實(shí)例，如圖6所示。

圖6 汽車(chē)模塊化產(chǎn)品平臺(tái)實(shí)例

3.2 基于模塊化產(chǎn)品平臺(tái)的汽車(chē)產(chǎn)品設(shè)計(jì)

首先，根據(jù)定制化的造型要求對(duì)車(chē)身模塊進(jìn)行定制設(shè)計(jì)，形成不同車(chē)型的定制化車(chē)身模塊實(shí)例；然后基于汽車(chē)模塊化產(chǎn)品平臺(tái)，根據(jù)不同的客戶(hù)需求和產(chǎn)品定位，將產(chǎn)品平臺(tái)中的可選模塊實(shí)例和通用模塊實(shí)例配置到不同車(chē)型產(chǎn)品上，并在參數(shù)化模塊在保持硬件不變的基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)計(jì)要求及關(guān)聯(lián)模塊技術(shù)要求，通過(guò)適應(yīng)性標(biāo)定形成新的模塊實(shí)例適配不同的車(chē)型?；谀K化產(chǎn)品平臺(tái)的汽車(chē)產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)例如圖7所示。

圖7 基于模塊化產(chǎn)品平臺(tái)的汽車(chē)產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)例

主機(jī)廠基于預(yù)先開(kāi)發(fā)好的平臺(tái)模塊實(shí)例進(jìn)行新產(chǎn)品系列研發(fā)時(shí)，可減少相關(guān)模塊數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)、樣件制作、樣件驗(yàn)證等過(guò)程，只需要對(duì)參數(shù)化模塊進(jìn)行適應(yīng)性標(biāo)定即可完成車(chē)型設(shè)計(jì)，因此可有效精簡(jiǎn)車(chē)型產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程，提高產(chǎn)品系列開(kāi)發(fā)效率。此外，相比單獨(dú)對(duì)每款車(chē)型定制開(kāi)發(fā)，基于模塊化產(chǎn)品平臺(tái)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，通過(guò)多個(gè)車(chē)型對(duì)平臺(tái)中的模塊實(shí)例進(jìn)行復(fù)用，各模塊實(shí)例的開(kāi)發(fā)成本得以分?jǐn)偟讲煌?chē)型上，有效降低了產(chǎn)品系列整體研發(fā)成本。

4 結(jié)論

文中利用QFD工具定量分析了差異化需求對(duì)模塊的影響，以及模塊與模塊之間的關(guān)聯(lián)影響關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析設(shè)計(jì)變更對(duì)模塊研發(fā)周期、研發(fā)費(fèi)用等方面的影響，識(shí)別出平臺(tái)模塊及非平臺(tái)模塊，構(gòu)建了模塊化產(chǎn)品平臺(tái)。最后通過(guò)基于模塊化產(chǎn)品平臺(tái)的系列化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，證明了模塊化產(chǎn)品平臺(tái)能夠有效縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，并降低新產(chǎn)品研發(fā)費(fèi)用。