基于设计域的产品族规划方法研究

基于设计域的产品族规划方法研究

随着全球化市场的形成，公司之间的竞争变得越来越激烈，竞争的重点是如何更好地满足各种客户的需求。因此,许多企业不再满足于一次只设计和生产一种产品,而是根据目标市场中不同客户对产品使用功能以及性能的不同要求提供一系列产品,这一系列产品通常称为产品族,而生产这一系列产品所使用的通用组件、模块、零件及其所依赖的技术、资源等等被统称为产品平台。产品族设计就是将传统的产品设计分为两个任务来完成:产品平台设计和衍生产品设计,平台设计的任务是产生鲁棒的通用技术模块,而衍生产品设计是利用通用的技术模块去产生具有差异性的产品以满足多样化的客户需求。根据设计域的概念,任何产品设计都是围绕顾客域、功能域、物理域和过程域四个域进行,因此任何产品族的决策问题也必然要围绕分别表征这四个域的客户需求、功能属性、结构设计参数以及过程参数之间的映射而展开。目前,多数产品族设计方法主要是基于产品功能域和物理域的映射关系得到的。例如,文献利用产品功能性属性和结构参数之间的关系模型,通过事先指定产品平台结构,考虑各种性能之间的平衡,得到产品族的折中设计方案。文献在假设各变型产品的结构设计参数彼此“足够接近”的前提下,利用产品的有限元模型(指结构件如汽车车身)和不考虑平台的单独设计优化结果,通过对各结构参数与性能之间的灵敏度大小进行排序,将满足限定值的参数定为平台变量,并进而获得基于共同平台的产品族设计方案。基于产品设计域整体映射关系的产品族设计方法为数不多。文献利用质量功能配置方法(Qualityfunctiondeployment,QFD)建立了客户需求、产品功能、产品结构、工程成本之间的映射关系,并通过定义进化指数和耦合指数使各种需求的更改如何在整个设计中传递得到了量化,为获得产品族规划方案提供了有效依据。文献在分析影响多样化产品品质的各种要素的基础上,引入单位成本所产生的品质效用作为度量客户感知价值的指标,并利用联合分析方法建立产品品质与产品特征的函数关系,从而使产品多样化设计置于设计域的系统框架之中。但不难发现,这类方法中功能与结构之间的关系描述则过于简单,文献仅仅通过1-3-5-9这样的强弱指标进行了量化,文献只是通过对客户偏好的分析建立起品质与特征关系,都没有涉及产品功能结构原理,因此降低了结论的可信度和方法的实用价值。本文将通过系统化地探索表征设计域的客户需求、功能属性、结构设计参数以及过程参数之间的内在关系,并运用数学规划方法得到确定产品平台的依据,进而输出产品族规划方案,最后通过实例分析,验证该方法的有效性和实用价值。1产品族意识问题的建立产品族的研究方法多种多样,解决的问题领域也不尽相同,出于实用化目的,本文的研究将考虑这样一种实际情况:企业开发产品族,一般都是在已有产品的基础上,当产品设计原理保持不变时,通过对已有产品的性能和结构的继承与进化而满足多样化的客户需求,也就是对已有产品的一种进化设计,因此,对于产品族设计过程中不可或缺的客户需求、功能属性、结构设计参数以及过程参数之间的映射关系可以通过分析它们之间固有的灵敏度关系而建立起来,这里灵敏度的含义是指一个设计域表征参数因另一个设计域表征参数的变化所显示出来的敏感程度,具体分析方法就是首先将客户需求的变化映射到功能属性的变化上,进而映射到结构设计参数的变化上,最后再映射到过程参数的变化上,这样就使得设计域各表征参数因客户需求变化的传递而相互关联起来,而产品的多样性正是由于客户需求的差异所产生的,因此这种灵敏度关系的建立可以为探索产品族规划的系统化方法提供理论依据。另外为方便研究,本文假设各变型产品的设计参数与已有产品的相应参数在给定范围内彼此“足够接近”,同时假设各设计参数在给定范围内独立的连续变化对产品的设计可行性不产生影响,这样便能够运用泰勒级数等数学分析方法使研究能够进行得更为深入。1.1产品族的设计方法为了建立产品族设计域表征参数之间的关系,首先需要对多样化的客户需求进行抽象并以数学语言描述出来。在非垄断性市场中,客户对产品的需求归根结底是对产品品质的需求,在产品价格是基于产品品质而确定的条件下,如果不考虑品牌、销售、售后服务手段等非设计因素,客户对产品价值的感知主要体现在产品性能的价值感知上,因此客户对产品的感知价值最终是对产品性能的感知价值(以下简称为客户感知价值),所以无论是产品设计抑或产品族设计如果不以产品性能的设计为基础,将无法令客户满意。而产品性能是表征产品功能域最重要的功能属性,因此,探索客户需求的描述方法需要从分析顾客域中客户对产品的品质需求与功能域中产品性能之间的映射关系入手。由于客户对产品的品质需求通常以客户语言描述,与产品性能之间没有明晰的对应关系,同时产品性能之间也存在着复杂的耦合关系,因此如何将以客户语言表达的对产品的品质需求转化为用技术语言表达对产品性能的需求,需要系统化方法,目前普遍认为QFD方法是比较有效的方法。不同客户对产品的诸项品质要求是不同的,如对于一定价位的汽车产品,有的客户对油耗要求偏高,而有的客户则更偏爱良好的操纵性能。这种需求的差异化正是形成产品多样化的基本出发点。所以如果能够将这种不同正确地描述出来,那无疑会为产品族的设计找到突破口。根据市场调查,可以得到客户对产品的品质需求,设共有l个,其中第i项需求记为Ri(i=1,2,…,l)。利用聚类分析方法可以将市场中具有多样化需求的客户归为K个客户群,每个客户群对产品品质的偏好基本相同,客户对产品的总体满意水平通过对各个品质需求的满足来实现。令dki(i=1,2,…,l)是第k客户群中第i个客户需求的权重,表明第i个客户需求对总体满意水平的贡献的相对重要性,产品族设计的任务就是设计K个变型产品以最大限度地满足K个客户群的不同需求。通过以上分析,便将客户多样化需求抽象为可以用技术语言表达的对产品性能的多样化要求。1.2vkj元/单位产品族设计的目标就是要最大限度地满足客户的多样化需求,而客户需求的满足程度可以由客户感知价值来度量,因此顾客域中客户需求与功能域中功能属性(即产品性能)的关系可以通过建立客户感知价值与产品性能之间的关系进行量化描述。这里借鉴文献中理念利用与产品价格相同的货币单位来度量客户感知价值,并将客户感知价值与产品各项性能之间的灵敏度关系定义为第j项性能提高一个计量单位所引起的第k客户群感知价值的变化量,记为∆vkj(元/单位第j项性能),具体可以采用如下方法进行合理估计。设已有产品第j项性能指标大小为fj0,将其根据性能高低而决定的价格记为C0,通过市场分析可以确定已有产品通过进化设计后各项指标的目标值,记为fjI,还可以得到当各项性能指标均为目标值时产品所应具有的合理价格,记为CI,可以认为CI与C0之差代表了由于性能的提高而引起的客户价值的增量,由于第k客户群第j项性能对客户感知价值的贡献比例为wkj,wkj(CI-C0)则表示由于第j项性能的提高而引起的第k客户群客户感知价值的增量,假设第j项性能所产生的客户感知价值的大小与该项性能的高低成正比,因此可得1.3产品特征设计参数产品的性能最终是通过相应的产品结构来实现的。根据产品结构的定义,可以把产品结构分为两类,一类是模块化结构,即功能结构向物理结构的映射为“一对一”或“多对一”,例如个人电脑便是高度模块化结构;另一类是整体化结构,即功能结构与物理结构之间的映射为复杂的“多对多”的关系,例如汽车便是一种高度整体化结构的典型产品。模块化设计使得产品设计由整体化设计分解为若干个功能独立、界面解耦的模块的设计,增加了设计和制造的柔性,将产品结构模块化是产品能够进行基于平台的产品族设计的必要条件,因此,虽然汽车是高度整体化结构的产品,但模块化设计却仍然是许多汽车厂商产品开发的一个核心策略。通常一个模块有多个结构设计参数,而且相互耦合,使得产品性能与结构设计参数之间的关系错综复杂,若在一个模型中同时求解非常困难。如果产品某一模块可以经过抽象由一个特征参数来表示,使得这一特征参数的不同取值能够代表这一模块对产品整体性能所发挥作用的大小,也就是说一个模块只有一个特征设计参数,那么产品性能与结构设计参数之间的关系便可以得到简化,这种简化对于有效地解决产品族规划这样的复杂问题非常关键,而且也是必要的。例如汽车产品中发动机这一重要结构模块可以用热效率这一结构特征参数来代表,这一特征参数不仅体现发动机本身的设计与制造水平,汽车企业更是通过这一指标的不断提高来改进汽车的整体性能水平。这种特征参数的确定及其与产品性能之间关系的建立需要产品设计人员对产品设计理论、结构原理进行综合性的分析,通常比较复杂,但却是最终将客户对产品的感知价值与产品结构联系起来的不可或缺的桥梁。这里将第i模块的特征设计参数记为xi,并用xi0表示已有产品第i结构特征参数的大小(i=1,2,…,m)。如前所述,本文假设各变型产品的设计参数与已有产品的相应参数在给定范围内彼此“足够接近”,同时假设各设计参数在给定范围内独立的连续变化对产品的设计可行性不产生影响,因此,产品性能指标与结构设计参数之间的灵敏度关系,即结构特征参数的变化如何对产品性能的变化产生影响,可以利用一阶泰勒级数来近似表示。设∆fij表示第i结构特征参数的变化量(xi-xi0)所引起的第j项性能的改变,则式中,fj是产品的第j项性能与各结构特征参数之间的数学关系式。进而可以得到为第k客户群所设计的变型产品的第i个结构特征参数的单位变化量所引起的客户感知价值的变化量,为表达方便,这里将其定义为进化灵敏度,记为Ski(元/单位第i项特征参数),i=1,2,,m,则Ski的大小代表了不同结构特征参数的变化对客户感知价值的影响程度的强弱,从而为产品族设计过程中如何将设计目标与客户的价值取向有机地联系起来提供了重要依据。1.4企业资源能力的限制以上从产品设计原理的角度对产品族如何满足客户价值取向进行了探索,但此时还不能确定为了达到一定的客户感知价值标准变型产品所应具有的结构,这是因为企业对于不同结构产品的设计制造的能力和成本是不同的,这就使企业的决策范围受到了限制,因此企业必须通过合理配置现有资源能力,以实现最佳的设计目标。为此还要建立产品结构特征参数与产品实现过程中所要求的企业资源能力之间的灵敏度关系,也就是要通过分析得到第i个结构特征参数的单位变化所要求的企业投入,记为vi(万元/单位第i项特征参数),以及所引起的产品成本的增加值,记为ci(元/单位第i项特征参数),这些数据估计得是否合理受到企业生产技术人员的经验以及企业生产数据的完善程度的影响,并将直接影响后面的决策结论,这也体现了决策理论的主要特点,即决策就是用定量化的方法处理决策人的价值判断,是自然科学与社会科学的交叉。至此,客户需求、物理性能、实现结构以及实现过程之间的关系模型已经建立起来,接下来要以此为基础通过数据整合获得最终的产品族规划方案。2产品家庭规划方法2.1目标函数的建立概念设计阶段产品规划是一种多目标优化问题,在许多情况下,需要通过在成本、收入、性能三个目标之间进行均衡以获得决策方案。本文规划围绕客户感知价值、产品价格、企业投入三个目标进行,如前文所述客户感知价值与性能目标是一致的,而后二者只是成本与收入的不同表达方式。设为第k客户群独立设计的产品客户感知价值增加的目标值为∆Vkt(元),为达到该目标要求第i个结构特征参数提高到xki,同时考虑客户的承受能力希望产品售价超出已有产品的额度不超过kC(元),而企业为此所希望付出的投入不超过Ik(万元),为达到上述目标,为第k客户群独立设计的产品所建立的目标规划模型Ⅰ如下模型中ixt表示在企业现有技术条件下与第i个结构所能达到的最高技术水平相对应的结构特征参数的大小。d+kj,dkj分别表示第j目标与设定目标值的超出偏差和不足偏差。目标函数Z是为了使客户感知价值增量的不足偏差、产品价格高于原产品售价的超出偏差以及企业投入超过限度的超出偏差三者之和最小化,w1、w2、w3(∑wi=1,i=1,2,3)是每种偏差的权重,其值应根据企业的资源能力以及对产品的市场定位来决定,例如,如果企业在资金、成本控制方面具有同样强的能力,同时又希望产品能提高客户满意度,那么可以设wi=1/3≈0.333(i=1,2,3)。这样规划的目的是为了实现全部目标,而不是追求单一目标的最优,因此可以使问题的求解拥有更大的自由空间,同时更接近于实际决策过程。求解上述模型,则可得到每一变型产品单独设计(不考虑共享平台)的最优方案。2.2平台判定指标下面将在第2.1节分析的基础上,进一步探索基于平台的产品族规划的有效方法。考虑这样一个指标式中,xki*是第2.1节中非平台规划方案的最优值。可见Gi的大小表示了所有变型产品第i个结构特征参数的变化对客户感知价值的综合影响程度,因此可以作为确定平台变量的依据,为表达方便,将其称为平台判定指标。根据产品的实际情况,设定一限值GT,对于Gi≤GT的特征参数,说明其在一定范围内的改变对客户感知价值的影响较低,因此可以作为平台变量,记为xis,s=1,2,…,S,S为平台变量数。由于不同客户群对第j项性能需求的不同权重wkj在一定程度上决定了不同变型产品之间该项性能的偏差的大小,而平台变量的大小不仅要保证进化设计的水平,又要保证所有变型产品每项性能的偏差最小,因此将与所有变型产品各项性能权重的均值接近程度最高的变型产品的非平台优化设计的结果作为确定平台变量大小的依据,应该说是一种合理的选择。具体方法如下,设根据式(6)得到的kwp的值最小的变型产品记为PV,则另外,如果客户群的大小差别较大,也可以选取代表最大客户群的那个变型产品作为PV来确定平台变量的大小。令xki=xis,(k=1,2,…,K),代入模型Ⅰ,则可以求出第k个变型产品其余(m–S)个非平台变量的值。3按照节方法来规划生产以下将以某企业生产的一款排量1.8L的家用轿车为产品实例,具体阐述如何利用上一节方法来规划其下一代产品族。对于汽车产品,当排量级别确定后,其他所有的指标都要与其相适应,否则就会降低产品的整体性能,因此其衍生产品族的结构参数从客观上要求彼此“足够接近”,这正是本研究的假设条件所要求的,这也反过来说明本研究方法的实用性。3.1结构特征参数的确定家用汽车产品的性能主要包括5项,即经济性、动力性、安全性、操纵稳定性、平顺性。产品规划阶段不考虑售后维修的成本,那么汽车经济性可以用油耗作为度量指标;汽车动力性可由最高车速、加速时间和最大爬坡度三个指标来度量,三者互相联系从不同角度对汽车动力性能进行评定,由于家用汽车产品特别是城市道路用车,一般对最高车速和爬坡度无特别要求,因此这里采用加速时间作为度量动力性的指标;汽车的安全性体现在方方面面,很难找到一个统一的度量指标,考虑到制动性是安全性中最重要的性能,其他安全性指标都是与制动性的优劣相适应而设计的,而制动距离又最能体现汽车制动性能的优劣,因此采用制动距离作为度量安全性的指标;操纵稳定性和平顺性涉及到的问题较为广泛,与前几个性能有所不同,需要采用较多的物理量从几个方面来评价,目前还没有被广为认可的综合指标来度量,考虑到实际中对这两项性能的评价常常采用主观评价法,因此这里以各项物理指标的主观综合评分作为度量指标。综上,上述5项性能的度量指标分别是:f1为油耗(指90km/h下的百公里油耗,单位为L)、f2为加速时间(指原地起步加速至100km/h所需的时间,单位为s)、f3为制动距离(m)、f4为操纵稳定性主观评价法综合评分、f5为平顺性主观评价法综合评分。实例产品的各项性能指标大小(即fj0,j=1,2,…,5)以及通过进化设计后各项指标的目标值(即fjI,j=1,2,…,5)见表1。根据市场调查分析,可以按照客户对家用轿车产品品质需求的不同,将客户归为不同的客户群,再利用QFD方法确定该细分市场内不同客户群对产品不同性能感知的权重,即wkj的值,为方便研究,这里主要考虑3类客户群,具体结果见表2。已知该产品的现行市场价格为11.6万元,通过分析可得当各项性能指标均为目标值时基准产品所应具有的合理价格为13.6万元,那么这2万元的差值所代表的就是原产品的各项性能指标提高后所引起的客户感知价值变化的具体度量,再通过客户对各项性能价值感知的权重进行分配,可得每项性能指标进化一个单位所引起的客户感知价值的变化量。针对不同客户群利用式(1)分别计算,可得每一客户群的感知价值与产品性能之间的灵敏度量化关系,具体计算结果见表3。汽车的结构非常复杂,要建立各个结构特征参数与各项性能之间的关系是一项非常复杂的任务。考虑到本文重点是进行方法性研究,同时产品概念设计阶段不追求确定产品的具体结构,因此这里仅对影响上述5个性能的主要结构模块进行分析,包括发动机、车身、传动系统、制动系统、转向系统、行驶系统,下面通过分析确定其相应的结构特征参数。根据汽车理论前四种结构模块可以方便地找到相应的特征参数,即发动机—热效率、车身—风阻系数、传动系统—传动效率、制动系统—附着效率;转向系统和行驶系统主要分别影响汽车的操纵稳定性和平顺性,与前文中这两项性能不容易明确度量指标一样,这两个结构的特征参数也不容易明确,但总能将技术级别作为其抽象的特征参数,这一级别是指对市场上现有的和即将普及应用的这两个系统分别按照技术性能高低排序所得到的级别;另外考虑到汽车产品所具有的高度整体化结构的特征,将汽车整体作为一个重要结构加以分析是非常必要的,对于家用汽车,汽车质量是反映其设计制造水平以及影响整体性能的一项综合性指标,因此这里将其作为整体结构的特征参数。综上,共得到7个结构特征参数:x1为发动机热效率、x2为风阻系数、x3为汽车质量、x4为传动系统传动效率、x5为附着效率、x6为转向系统技术级别、x7为行驶系统技术级别。实例产品的xi、xit的具体值见表4。为确定产品性能指标与产品结构特征参数之间的灵敏度关系必须建立产品性能与相关结构特征参数之间的函数关系,这涉及到产品的设计理论以及结构原理。例如为得到汽车的油耗(f1)这一经济性能指标与各结构特征参数之间的灵敏度关系,首先要应用汽车理论中有关油耗的计算公式式中,fR为滚动阻力系数,A为汽车迎风面积,ua为油耗试验规定车速,γ为燃油密度,其余参数为设计常量。然后利用式(2)得到油耗与各结构特征参数的变化之间的灵敏度关系。例如其他参数之间的灵敏度关系通过同样的方法可以得到,进而利用式(3)可以得到进化灵敏度Ski,具体计算结果见表5。另外,通过对企业历史生产数据的分析可以估算出各结构特征参数的单位变化所要求的企业投入vi,以及所引起的产品成本的增加值ci,具体结果见表6。为确保企业在该细分市场的竞争实力,为每个客户群设计的变型产品客户感知价值增加的目标值均不应低于2万元,同时希望产品售价超出原产品的额度不超过15000元,而企业为每一变型产品所希望付出的投入不超过7000万元。将以上数据代入目标规划模型Ⅰ,并应用单纯形法求解可分别得到为每个客户群所设计的变型产品的结构规划方案,具体结果见表7。3.2平台变量的值根据式(5)求得平台判定指标Gi的值见表8。设GT=2000,则可以确定前3个变量为平台变量。又将表1中相关权重数据代入式(6)计算可知第2种变型产品具有最小的kwp,因此可得平台变量的值x1S=0.28,x2S=0.35,x3S=1800。利用以上求得的平台变量的值和规划模型Ⅰ,则可以得到其余2个变型产品的规划方案,具体结果见表9。目标市场中客户需求的多样化驱动了产品性能的差异化,进而触发了产品物理特征参数和生产过程参数的差异化,本文方法将这一驱动过程中所固有的各级参数之间的灵敏度关系提取出来,从而为产品平台决策找到了有力的依据。该方法将文献中以灵敏度分析确定产品平台的方法延伸到了整个设计域,同时又弥补了文献中基于整个设计域的决策方法无法涉及产品功能结构原理的不足,通过汽车产品的实例分析,进一步验证了其有效性。4基于设计域灵敏度分析的产品族创造价值度量产品族开发的根本动力是将满足客户需求置于企业价值链的核心,因此任何产品族规划方法都要以满足客户需求为基本出发点,另一方面,任何成功的产品族方案一定是企业、客户双方利益需求相均衡的结果,因此探索产品族规划方法需要建立客户需求与企业资源能力之间的关系,而这两者之间并没有直接的联系,因此需要将其置于设计域的系统框架,通过分析设计域表征参数之间存在的瀑布式映射关系逐步转换过来。本文通过分析产品设计域表征参数之间固有的灵敏度关系,建立起客户需求的变化与产品功能属性、产品特征、产品实现过程参数之间的量化关系,为最终探索出能够实现企业、客户双方利益需求相均衡的产品族规划方案提供了理论依据。本文在探索设计域各表征参数之间灵敏度关系的过程中,构建了满足客户品质需求的价值度量方法,使得不同客户对产品品质需求的重要性排序转化为不同产品结构特征对不同客户感知价值的重要性排序,这样就