李 浩，喬?hào)|平

（鄭州輕工業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，河南鄭州 450002）

近年來，由于環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展問題的日益嚴(yán)峻，同時(shí)，由于企業(yè)間價(jià)格戰(zhàn)的惡性競爭使得單純賣物理產(chǎn)品的利潤越來越低，PSS開始吸引工業(yè)界和學(xué)術(shù)界極大的興趣，成為產(chǎn)品可持續(xù)發(fā)展的重要手段之一。PSS系統(tǒng)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)PSS的最重要環(huán)節(jié)，已成為PSS領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一［1-3］。

隨著用戶對(duì)產(chǎn)品和服務(wù)個(gè)性化需求越來越強(qiáng)烈，客戶所需的物理產(chǎn)品與服務(wù)越來越具有明顯的個(gè)性化和多變性特點(diǎn)，主要表現(xiàn)在物理產(chǎn)品的個(gè)性化、服務(wù)內(nèi)容個(gè)性化與服務(wù)選擇與使用的多變性［4-5］。隨著PSS戰(zhàn)略的出現(xiàn)，傳統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)方法學(xué)需要擴(kuò)展［6］，因?yàn)镻SS中的產(chǎn)品與服務(wù)的個(gè)性化和多變性必然造成企業(yè)在管理、設(shè)計(jì)制造、供應(yīng)和實(shí)施等環(huán)節(jié)成本的增加［5］。解決個(gè)性化與低成本矛盾的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)客戶需求的物理產(chǎn)品與服務(wù)的模塊化，產(chǎn)品與服務(wù)的模塊化戰(zhàn)略可以應(yīng)用于降低產(chǎn)品工程的復(fù)雜度［7］。因此，通過建立一系列標(biāo)準(zhǔn)的物理模塊和服務(wù)模塊，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部模塊少樣化，降低生產(chǎn)成本和減少對(duì)環(huán)境的影響；通過模塊化組合實(shí)現(xiàn)物理產(chǎn)品與服務(wù)外在的個(gè)性化和多變性，滿足客戶的個(gè)性化需求［8-9］。

為了提升產(chǎn)品與服務(wù)集成后的潛能，AURICH等在PSS領(lǐng)域首先提出了PSS系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)框架、原理和配置設(shè)計(jì)方法，針對(duì)投資型產(chǎn)品，提出了一個(gè)兩步驟的方法，建立了實(shí)現(xiàn)技術(shù)型產(chǎn)品-服務(wù)系統(tǒng)模塊化原理，提出一個(gè)過程庫用來設(shè)計(jì)和制造技術(shù)型產(chǎn)品-服務(wù)系統(tǒng)，也用來選擇、組合和適應(yīng)合適的過程模塊［6，10-11］。WANG等在PSS并行模塊化開發(fā)和理解物理產(chǎn)品與服務(wù)的關(guān)系等方面做了深入研究，提出了一個(gè)面向PSS的模塊開發(fā)框架，認(rèn)為模塊化過程可以分為3個(gè)部分：功能性、產(chǎn)品和服務(wù)模塊化，采用QFD方法與Portfolio技術(shù)實(shí)現(xiàn)了面向PSS的模塊開發(fā)［12］。集成物理產(chǎn)品與服務(wù)的產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)中，理清物理模塊與服務(wù)模塊的關(guān)系以及交互設(shè)計(jì)過程是難點(diǎn)和重點(diǎn)。對(duì)此，LI等建立了廣義產(chǎn)品模塊化過程總體模型，并提出了一個(gè)三階段的交互式集成服務(wù)型產(chǎn)品模塊劃分方法，將服務(wù)劃分為功能性服務(wù)和非功能性服務(wù)，通過功能性服務(wù)理清了物理模塊與服務(wù)模塊的交互關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了物理模塊劃分與服務(wù)模塊劃分的有機(jī)融合［9，13］。

以上研究促進(jìn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)與服務(wù)的有機(jī)融合，推動(dòng)了PSS系統(tǒng)的快速開發(fā)與實(shí)施。然而，傳統(tǒng)物理產(chǎn)品與集成服務(wù)型產(chǎn)品存在較大不同，傳統(tǒng)物理產(chǎn)品的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建模理論需要拓展。對(duì)于復(fù)雜的機(jī)械產(chǎn)品，組成模塊和零部件也越來越多，集成服務(wù)型產(chǎn)品在產(chǎn)品提供和系統(tǒng)實(shí)施方面變得較為復(fù)雜。例如，一架波音飛機(jī)就由兩百多萬個(gè)模塊組成，一臺(tái)汽輪機(jī)也有數(shù)萬個(gè)模塊，而復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品在集成無形的產(chǎn)品服務(wù)以后會(huì)變得更加復(fù)雜，在產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)階段，就應(yīng)該考慮到產(chǎn)品提供階段的用戶服務(wù)。模塊化戰(zhàn)略已經(jīng)應(yīng)用于降低產(chǎn)品與服務(wù)工程的復(fù)雜度［6］。然而，集成服務(wù)型機(jī)械產(chǎn)品所形成的復(fù)雜模塊化系統(tǒng)里面蘊(yùn)涵一系列科學(xué)問題，如有形的物理模塊和無形的服務(wù)模塊之間內(nèi)在關(guān)聯(lián)關(guān)系是怎樣的，它們之間是怎樣有機(jī)融合的。復(fù)雜集成服務(wù)型產(chǎn)品構(gòu)成的復(fù)雜模塊化系統(tǒng)究竟呈現(xiàn)哪些宏觀整體特性，與傳統(tǒng)物理產(chǎn)品形成的復(fù)雜模塊化系統(tǒng)有哪些區(qū)別，這是一系列有趣并具挑戰(zhàn)性的問題。

基于以上問題，本文首先分析了復(fù)雜集成服務(wù)型機(jī)械產(chǎn)品的模塊化設(shè)計(jì)過程，給出了模塊化結(jié)構(gòu)建模原理。提出了復(fù)雜集成服務(wù)型機(jī)械產(chǎn)品的模塊化結(jié)構(gòu)建模方法，包括微觀建模方法與宏觀復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)建模方法。

1 復(fù)雜集成服務(wù)型機(jī)械產(chǎn)品的模塊化設(shè)計(jì)過程

集成服務(wù)型產(chǎn)品是在銷售階段根據(jù)客戶的訂單需求形成的，如圖1所示。集成服務(wù)型產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)的目的是建立面向服務(wù)配置的模塊化平臺(tái)，通過該平臺(tái)可以配置出個(gè)性化的集成服務(wù)型產(chǎn)品。在客戶需求、概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)等階段，搜集客戶需求，轉(zhuǎn)化為技術(shù)特征和服務(wù)需求，服務(wù)需求包括功能性服務(wù)和非功能性服務(wù)，通過對(duì)其進(jìn)行模塊劃分，形成服務(wù)模塊主結(jié)構(gòu)。物理產(chǎn)品的模塊化設(shè)計(jì)需要對(duì)技術(shù)特征和功能性服務(wù)的分析，采取合適的模塊劃分方法，構(gòu)建出物理模塊主結(jié)構(gòu)。

2 復(fù)雜集成服務(wù)型機(jī)械產(chǎn)品的模塊化結(jié)構(gòu)建模原理

1）整體宏觀與內(nèi)部微觀研究相結(jié)合的系統(tǒng)學(xué)建模原理

集成服務(wù)型產(chǎn)品具有多角色、多類型和動(dòng)態(tài)性的特點(diǎn)，在整體上呈現(xiàn)出復(fù)雜系統(tǒng)的特性。多角色是指產(chǎn)品形成和使用階段涉及客戶、設(shè)計(jì)人員、銷售人員、培訓(xùn)人員、安裝維修人員、產(chǎn)品回收人員等不同角色；多類型是指產(chǎn)品是由物理產(chǎn)品和產(chǎn)品服務(wù)組成，產(chǎn)品服務(wù)包括銷售、安裝調(diào)試、培訓(xùn)、維護(hù)維修、保養(yǎng)和回收等多個(gè)階段的服務(wù)；動(dòng)態(tài)性是指在產(chǎn)品的全生命周期過程中，產(chǎn)品服務(wù)的多變性導(dǎo)致產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)演變。根據(jù)復(fù)雜集成服務(wù)型機(jī)械產(chǎn)品的特點(diǎn)，結(jié)合系統(tǒng)學(xué)思想，不僅研究零部件和模塊的特性，還必須從系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)入手，采用系統(tǒng)宏觀與結(jié)構(gòu)微觀相結(jié)合的原理來研究產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)機(jī)理與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)整體特征，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并使之達(dá)到總體最優(yōu)。

圖1 集成服務(wù)型產(chǎn)品的模塊化設(shè)計(jì)過程Fig.1 Modular design process of ISP

2）多粒度的層次性建模原理

集成服務(wù)型產(chǎn)品可以分解為多個(gè)層次，每個(gè)層次粒度大小取決于具體的研究對(duì)象。最底層包括零件、服務(wù)過程等；中等層次是部件、物理模塊、服務(wù)模塊等；高層次是產(chǎn)品系統(tǒng)層。在不同的層次，研究產(chǎn)品的特性不同。在底層，主要研究微觀零件的結(jié)構(gòu)組成、時(shí)空規(guī)則、關(guān)聯(lián)關(guān)系與描述方法等；在中等層次，主要研究模塊間關(guān)系、主導(dǎo)子模塊等，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部的關(guān)聯(lián)機(jī)理；在最高層次，研究系統(tǒng)特性與演化規(guī)律。

3）物理結(jié)構(gòu)—網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆成涞慕Ｔ?/p>

在從系統(tǒng)學(xué)原理研究集成服務(wù)型產(chǎn)品模型的過程中，可以將物理系統(tǒng)抽象成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從宏觀上研究產(chǎn)品系統(tǒng)的整體特性與規(guī)律。零部件對(duì)應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)，模塊對(duì)應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)社區(qū)，產(chǎn)品對(duì)應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)?？梢酝ㄟ^研究網(wǎng)絡(luò)社區(qū)結(jié)構(gòu)特性，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的宏觀特征與控制方法，然后再將具體原理和方法映射到物理系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜集成服務(wù)型機(jī)械產(chǎn)品的優(yōu)化建模。

3 復(fù)雜集成服務(wù)型機(jī)械產(chǎn)品的模塊化結(jié)構(gòu)建模方法

3.1 微觀建模方法

3.1.1 集成服務(wù)型產(chǎn)品內(nèi)部模塊化結(jié)構(gòu)作用原理分析

分析物理產(chǎn)品與服務(wù)的關(guān)系，包括物理零部件間的關(guān)系、服務(wù)間的關(guān)系和物理零部件與服務(wù)間的關(guān)系，如圖2所示。根據(jù)服務(wù)與物理產(chǎn)品的關(guān)聯(lián)程度，可將服務(wù)分成功能性服務(wù)與非功能性服務(wù)［9］。功能性服務(wù)與相關(guān)的可選物理組件直接相關(guān)，特定的可選物理組件在裝配到物理產(chǎn)品中的情況下才能開展此產(chǎn)品的功能性服務(wù)；而非功能性服務(wù)能否開展與某一組件無關(guān)。因此，集成服務(wù)型產(chǎn)品的設(shè)計(jì)不但要考慮面向服務(wù)的物理產(chǎn)品設(shè)計(jì)，還需考慮基于物理產(chǎn)品的服務(wù)設(shè)計(jì)，要保證物理模塊、相應(yīng)的功能性服務(wù)模塊之間的一致性，是物理產(chǎn)品和服務(wù)的集成設(shè)計(jì)過程。

3.1.2 一個(gè)“服務(wù)-物理-服務(wù)”三階段模塊劃分過程

復(fù)雜集成服務(wù)型機(jī)械產(chǎn)品模塊劃分過程是一個(gè)服務(wù)模塊劃分與物理模塊劃分交互的“服務(wù)-物理-服務(wù)”過程。將“服務(wù)-物理-服務(wù)”模塊化設(shè)計(jì)過程分為3個(gè)步驟，如圖3所示，依次為基于“Top-Down”的服務(wù)模塊劃分、基于“Top-Down”的物理模塊劃分和基于“Bottom-Up”的服務(wù)模塊劃分過程［9］。

1）在“Top-Down”的服務(wù)模塊劃分過程中，模塊劃分是按照“服務(wù)需求域-服務(wù)功能域-服務(wù)模塊域”的映射過程來實(shí)現(xiàn)的，是一種自上而下的過程。首先，分析服務(wù)功能，建立服務(wù)功能樹，將其映射為服務(wù)業(yè)務(wù)；然后，把服務(wù)之間的相關(guān)性分為功能相關(guān)、類相關(guān)和服務(wù)過程相關(guān)，并建立綜合相關(guān)性矩陣，通過計(jì)算服務(wù)間的相關(guān)度，使劃分出的模塊之間能夠最大限度地滿足各方面的需求，實(shí)現(xiàn)服務(wù)模塊的劃分。

2）基于“Top-Down”的物理模塊劃分。在廣義產(chǎn)品中，物理模塊劃分的基本原理是通過“客戶需求域-功能域-結(jié)構(gòu)模塊域”的映射來實(shí)現(xiàn)，是一種自上而下的過程。

圖2 物理產(chǎn)品與服務(wù)關(guān)系分析Fig.2 Relation analysis between physical product and service product

圖3 集成服務(wù)型產(chǎn)品模塊劃分過程模型Fig.3 Modular partition process model of ISP

3）基于“Bottom-Up”的服務(wù)模塊劃分。一些服務(wù)模塊如保修服務(wù)、備品備件服務(wù)等，與特定的物理模塊關(guān)聯(lián)度較高，在物理產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成之前無法準(zhǔn)確確定具體服務(wù)內(nèi)容。因此，必須在物理模塊設(shè)計(jì)完成后，根據(jù)物理模塊來確定具體服務(wù)模塊，這是一個(gè)從下到上的過程，因此稱為“Bottom-Up”方法。

4）基于質(zhì)量功能屋的沖突檢測與消解機(jī)制和方法

在集成服務(wù)型產(chǎn)品交互式模塊化設(shè)計(jì)中，物理模塊之間、服務(wù)模塊之間、物理與服務(wù)模塊之間、用戶需求與模塊之間等存著諸多可能的沖突之處。例如，物理與服務(wù)模塊劃分粒度的大小不一致可能導(dǎo)致配置設(shè)計(jì)過程中的沖突；用戶的服務(wù)模塊需求在物理產(chǎn)品配置時(shí)無法得到保證等?；诖耍诿嫦蚺渲茫ㄎ锢砟K與服務(wù)模塊）的模塊化設(shè)計(jì)過程中，可采用基于質(zhì)量功能屋的用戶需求、物理模塊與服務(wù)模塊劃分的一致性檢驗(yàn)方法和基于規(guī)則的沖突消解機(jī)制等。

3.1.3 物理產(chǎn)品與服務(wù)的循環(huán)式優(yōu)化設(shè)計(jì)

“服務(wù)-物理-服務(wù)”模塊化設(shè)計(jì)過程可歸納為“劃分服務(wù)模塊-劃分物理模塊-完善服務(wù)模塊”的單循環(huán)過程。在模塊劃分過程中，服務(wù)模塊化設(shè)計(jì)的約束目標(biāo)是企業(yè)利潤最大化和客戶滿意度，物理模塊化設(shè)計(jì)的約束目標(biāo)是功能與性能最優(yōu)和成本最低。盡管在單次優(yōu)化設(shè)計(jì)中能滿足服務(wù)模塊化設(shè)計(jì)和物理產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)的約束目標(biāo)，然而，由于物理與服務(wù)之間有復(fù)雜的交互關(guān)聯(lián)關(guān)系，單次循環(huán)設(shè)計(jì)后形成的總體模塊化方案不一定是最優(yōu)化方案，需要對(duì)總體方案進(jìn)行評(píng)價(jià)。廣義產(chǎn)品模塊化方案需要從環(huán)境需求、服務(wù)需求、功能需求、性能需求和用戶特點(diǎn)等方面綜合評(píng)價(jià)，系統(tǒng)總體目標(biāo)是功能性能最優(yōu)和利潤最大化。在完成首輪評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)方案不是最優(yōu)化，內(nèi)部模塊之間有不一致情況或用戶需求不能得到有效滿足，則需要進(jìn)入更高一層次的循環(huán)設(shè)計(jì)，如圖4所示。直到得到能滿足用戶需求和約束目標(biāo)的最優(yōu)化方案為止。

圖4 螺旋式的循環(huán)設(shè)計(jì)原理Fig.4 Principle of spiral and loop design

3.1.4 建立復(fù)雜集成服務(wù)型機(jī)械產(chǎn)品模塊化主結(jié)構(gòu)

基于層次性原理建立集成服務(wù)產(chǎn)品的模塊化主結(jié)構(gòu)，主結(jié)構(gòu)由物理模塊和服務(wù)模塊組成，包含基本模塊、必選模塊和可選模塊（或額外模塊），各模塊之間通過關(guān)聯(lián)規(guī)則和聯(lián)系組合而成。所謂基本模塊，是指組成一個(gè)產(chǎn)品時(shí)必須包括的物理和服務(wù)模塊；必選模塊，是必須按照一定的規(guī)則從主結(jié)構(gòu)中指定的模塊中選擇一定數(shù)量的模塊；可選模塊（額外模塊），是根據(jù)客戶的特殊需求，按照一定的規(guī)則選擇的物理和服務(wù)模塊，有時(shí)客戶需要特殊的服務(wù)不在主結(jié)構(gòu)中，需要快速完善主結(jié)構(gòu)。

3.2 宏觀建模方法

3.2.1 復(fù)雜集成服務(wù)型機(jī)械產(chǎn)品網(wǎng)絡(luò)建模

集成服務(wù)型產(chǎn)品模塊化主結(jié)構(gòu)是一個(gè)可配置的、包括所有可能零部件和服務(wù)模塊組合的集合。運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)建模原理，將已建立的集成服務(wù)型產(chǎn)品（族）主結(jié)構(gòu)關(guān)系網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)表示形式，構(gòu)造一張加權(quán)有向無環(huán)網(wǎng)，其中節(jié)點(diǎn)是產(chǎn)品中各個(gè)單獨(dú)的個(gè)體（產(chǎn)品、部件、零件、服務(wù)和服務(wù)包），有向邊表示零部件（含服務(wù)）間的從屬關(guān)系，方向是從上一級(jí)零部件（含服務(wù)）指向直接隸屬于該零部件（含服務(wù)）的下一級(jí)零部件（含服務(wù)），邊權(quán)是父節(jié)點(diǎn)包含子節(jié)點(diǎn)的數(shù)目［9］。

3.2.2 基于社區(qū)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)理論的產(chǎn)品（族）結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)復(fù)雜集成服務(wù)型產(chǎn)品的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?，?duì)零部件模塊與服務(wù)模塊關(guān)系網(wǎng)絡(luò)分析，本文主要分析模塊化網(wǎng)絡(luò)的社區(qū)結(jié)構(gòu)特性。模塊度是度量網(wǎng)絡(luò)社區(qū)結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)之一，主要用來評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的模塊化程度。社區(qū)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度也是度量網(wǎng)絡(luò)社區(qū)結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)之一，主要用來評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)健程度。如圖5所示，由32節(jié)點(diǎn)組成的五社區(qū)網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的社區(qū)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較小時(shí)，各個(gè)社區(qū)之間連接就比較松散，當(dāng)其中一個(gè)社區(qū)的某一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，故障就會(huì)在這個(gè)社區(qū)中迅速傳播。通過計(jì)算社區(qū)網(wǎng)絡(luò)的模塊度和社區(qū)模塊強(qiáng)度來分析集成服務(wù)型產(chǎn)品（族）的模塊化程度、社區(qū)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)健度。對(duì)分析復(fù)雜集成服務(wù)型產(chǎn)品的模塊最優(yōu)劃分、模塊質(zhì)量特性等有一定應(yīng)用價(jià)值。

圖5 由32節(jié)點(diǎn)組成的五社區(qū)網(wǎng)絡(luò)Fig.5 Five-community networks composed of 32nodes

4 結(jié) 語

分析了PSS領(lǐng)域的模塊化建模方法，指出了現(xiàn)有方法應(yīng)用于集成服務(wù)型產(chǎn)品建模中的不足之處。提出了復(fù)雜集成服務(wù)型機(jī)械產(chǎn)品的模塊化設(shè)計(jì)過程、原理與方法。提出研究集成服務(wù)型產(chǎn)品內(nèi)部機(jī)理，建立集成服務(wù)型機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)組成、時(shí)空規(guī)則、物理與服務(wù)關(guān)聯(lián)模型、模塊沖突與一致性等，有助于發(fā)現(xiàn)復(fù)雜集成服務(wù)型機(jī)械產(chǎn)品內(nèi)部服務(wù)模塊、物理模塊與模塊化設(shè)計(jì)之間的影響規(guī)律。提出通過將集成服務(wù)產(chǎn)品模塊化樹狀主結(jié)構(gòu)映射為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)建模原理來分析其社區(qū)結(jié)構(gòu)特性，如出入度、模塊度、社區(qū)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等，從宏觀角度分析集成服務(wù)型產(chǎn)品的模塊化結(jié)構(gòu)特性，發(fā)現(xiàn)模塊化系統(tǒng)中蘊(yùn)含的規(guī)律，以指導(dǎo)產(chǎn)品質(zhì)量控制和服務(wù)增值演化。本文的研究內(nèi)容對(duì)面向服務(wù)配置的集成服務(wù)型產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、基于社區(qū)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)品質(zhì)量控制和基于社區(qū)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)增值演化等方面有一定的指導(dǎo)價(jià)值。

／References：

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