产品模块化设计与生产的优点和方法 - 文章

产品模块化设计与生产的优点和方法

作者：一汽解放公司大柴分公司许正刚

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摘要：介绍产品模块化的优点和方法，从模块的概念入手，介绍模块的特点，以及模块化产品的过程，并介绍了模块化如何通过PDM系统得以实现。
关键词：模块模块化产品平台批量生产大规模定制 PDM Windchill 重用互换

1 制造业面临的挑战

随着中国加入WTO，中国经济进一步融入世界经济，中国在世界经济中扮演着越来越重要的角色。在这样的大背景下作为中国经济增长引擎的制造行业中蕴藏着巨大的市场机遇，但同时竞争也越来越惨烈，中国的制造业同样面临者巨大的挑战。

要想赢得未来竞争的胜利，中国的制造业企业必须通过优化整个产品生命周期的业务链来缩短产品上市时间、提高产品质量、降低成本，同时还要不断通过研发创新来满足客户的变化需求。技术的飞速进步，引起产品工程越来越复杂，企业必须在不断变化的环境中应付越来越复杂的工程技术，随着客户对产品个性化需求程度的增加，也导致产品定制化趋势越来越明显，企业必须创建数量庞大的产品系列来满足客户不断变化的需求。企业必须同时具备以下的能力才能够应对挑战：持续提高的创新能力，使产品的科技含量越来越高，以满足客户变化需求；不断缩短产品上市时间，取得竞争优势；不断强化成本控制能力，通过优化产品全生命周期内的成本、研发、生产、物流、销售和服务等环节控制产品总成本，取得产品价格优势；持续的质量改进能力。

企业一方面必须利用产品的批量化、标准化和通用化来缩短上市周期、降低产品成本、提高产品质量，另一方面还要不断地进行产品创新使产品越来越个性化，满足客户的定制需求。这样，如何平衡产品的标准化、通用化与定制化、柔性化之间的矛盾，成为赢得竞争的关键能力。

平台化、模块化的产品设计和生产可以在保持产品较高通用性的同时提供产品的多样化配置，因此平台化、模块化的产品是解决定制化生产和批量化生产这对矛盾的一条出路。

但是，企业中庞大的激烈变化的产品数据仅仅依靠手工方式来管理是很难做到准确性、完整性、及时性和可追溯性的要求的。因此，将企业产品平台化、模块化的管理创新成果与信息系统的建设结合起来是很好的解决方案。要解决产品的模块化管理，PDM产品无疑是一种很好的选择。

2 模块的概念

2.1 模块的历史来源

模块并不是一个新的概念，早在20世纪初期的建筑行业中，将建筑按照功能分成可以自由组合的建筑单元的概念就已经存在，这时的建筑模块强调在几何尺寸上可以实现连接和互换。然后，模块被引入机械制造业，人们进一步将模块与物理产品的功能联系到了一起，模块具有了明确的功能定义特征、几何连接接口，以及功能输入、输出接口特征。

随着计算机软件技术的发展，模块的概念又被用到了非物理产品领域，在软件行业模块的概念被广泛的实践着，大型的软件系统（比如PTC公司的Windchill系统）的模块化趋势越来越明显。目前，企业的专有知识越来越成为企业的战略性资源，合理的管理、利用企业的专有知识是赢得竞争的重要筹码！而企业产品中包含的知识是企业知识资源的最最重要部分，因此重用模块就是重用知识，可以大大的节省时间和金钱。模块化思想发展到今天，知识管理和传统的模块化之间的界限已经变得有些模糊。

模块的演变过程是从单纯的几何结构单元，发展到集成功能单元，又演变成为非物理实体的载体，如知识和软件等。

2.2 使用模块的目的和案例

由于模块具有不同的组合可以配置生成多样化的满足用户需求的产品的特点，同时模块又具有标准的几何连接接口和一致的输入输出接口，如果模块的划分和接口定义符合企业批量化生产中采购、物流、生产和服务的实际情况，这就意味着按照模块化模式配置出来的产品是符合批量化生产的实际情况的，从而使定制化生产和批量化生产这对矛盾得到解决。另外，模块实现了抽象的模块功能与具体模块实现之间的逻辑分离，整个产品结构十分清晰，容易从全局上理解和设计产品，使技术进步造成的越来越来复杂的工程管理得到改善。有些公司又将不同的目标市场进行分类，并通过模块化的产品配置，实现对不同目标市场的覆盖，也就形成了所谓的平台化战略和差异化战略。平台化、模块化的产品战略已经有很多成功的案例在世界很多的著名公司中应用。日本索尼公司在20世纪80年代仅利用4个基础平台的Walkman产品，生产出250余种录音机随身听。这250种随身听无论在价位、功能和款式上都有很大的区别，可以满足用户的各种不同需求，但是这4个基础平台却存在着大量的重用模块。德国大众公司在A4平台上生产Volkswagen/Skoda/SEAT/Audi四个品牌的十余种轿车，象我们熟悉的Golf、Bora、NewBeetle和Audi TT都是这个平台上的产品。这十余种轿车分布在德国、斯洛伐克、捷克、比利时、西班牙、波兰和墨西哥等国家的大众公司分厂中生产，这些产品可以满足不同市场需求的同时可以共享大众公司整体的技术资源和采购资源。日本佳能公司的单镜头反光取景相机所有的镜头卡口标准是完全一致的，同时佳能公司庞大的镜头群可以覆盖各种客户需求，这使佳能公司的产品可以满足从入门的摄影爱好者到职业级的摄影家的巨大客户群的需求。佳能公司的这种技术目前已经入侵了数码相机领域，佳能公司新近推出的EOS300D数码单反相机使数码单反相机走下神坛价位直冲普通数码相机，EOS300D同样可以使用所有佳能的镜头，这对摄影爱好者具有不可抗拒的吸引力。

2.3 模块和产品平台

2.3.1 模块的定义

模块是构成产品的一部分，具有独立功能，具有一致的几何连接接口和一致的输入、输出接口的单元，相同种类的模块在产品族中可以重用和互换，相关模块的排列组合就可以形成最终的产品。模块化的产品设计可以达到以下几个目的：模块的组合配置，就可以创建不同需求的产品，满足客户的定制需求；相似性的重用，既可以重用已有零部件和已有设计经验，也可以重用整个产品生命周期中的采购、物流、制造和服务资源；减少产品工程复杂程度，因为模块是产品部分功能的封装，产品设计人员使用具体模块时根本不用关心内部实现，可以使研发人员更加关注顶层逻辑，提高产品工程管理质量和产品的可靠性。

2.3.2 产品平台的定义

产品平台就是描述产品系列的模块化结构及模块的功能、模块间的几何连接接口和输入输出接口。产品平台是不同目标市场需求的抽象表达，是企业划分模块的基础，产品平台和模块是相辅相成、相互依存的。将产品平台和产品模块割裂开来是没有任何意义的，我们将在后面就这一问题给出详细论述。因此，从以上论述和观点来看，产品的平台化、模块化是连接产品研发和大规模定制生产的桥梁。模块化产品是达到大规模定制和不断的持续改进企业商业能力的首要前提。

3 模块的特点和产品模块化的优点

由于企业产品平台方案的制订是依赖于企业客户目标市场需求的不同而变化的，同时产品模块的划分必须考虑不同企业的产品功能、研发特点、生产特点、采购及物流方式和售后服务特点等方面的不同需求，所以产品平台和模块化的方案必须结合企业的实际情况，没有一成不变的解决方案。因此，理解模块的特点及企业要利用模块化达到的目的就显得十分的重要，本文将在下面详细的论述模块的特点和优点，以帮助读者找到本企业模块的特点和要达到的目标。

3.1 模块的特点

理解模块必须抓住模块的四个主要特点，这四个主要特点是模块的精髓，也是划分企业自身产品平台和产品模块的基础。

3.1.1 模块具有独立的功能

模块的功能是整个产品功能的组成部分，且这个功能是自我包含，自我实现的。图1给出了集成式产品结构和模块化产品结构的区别。

（1）集成式产品结构

（2）模块化产品结构
图1集成式产品结构和模块化产品结构的区别

在集成化的产品结构中，零部件的功能与产品功能是多对多的关系，这样导致某个零部件的设计更改会影响到产品的多个功能，也就会导致不确定范围的零部件的修改，同样为了实现产品的某项功能改善，也会导致很多零部件的修改。随着产品复杂程度和产品零部件重用度的提高，管理这样的产品结构和相关信息就会变得十分困难，尤其是在产品为系列化、批量生产模式的企业中，随着不可互换的相似零部件种类的增加，销售、采购、物流、生产和服务等业务领域中的管理困难会成倍增加！

在模块化的产品结构中，零部件的功能与产品功能是一对一的关系，这样对于零部件的更改和产品功能的改善不会造成其他零部件和功能的调整，也就是将产品的功能抽象与产品零部件的具体实现分离，模块自身的单独发展不会影响其他模块。

由于模块的功能必须考虑在一系列产品中互换的问题，因此某些模块的功能在某一个产品中有可能是冗余的，但是从全局的角度看这样做是值得的。比如，计算机主板上PCI插槽一般有4-6个，而大部分计算机上仅仅使用1、2个，这种功能的部分冗余带来的是很强的扩展能力和更大范围的互换能力。

3.1.2 标准的几何连接和一致的输入、输出接口

为了实现同类模块之间的互换，严格的尺寸接口和输入输出接口的定义是必须的。几何连接接口，可以是机械领域的销、面、键和螺栓等，也可以是电器领域的信号、能量等。著名的玩具供应商Lego乐高公司通过积木模块的不同组合可以拼成几乎无尽数量的形状，于是在市场上取得了巨大的成功。Lego乐高公司的积木模块定义的主要就是几何连接接口。当然，在实际的制造业中随着产品复杂度的增加，模块的几何连接接口要比这复杂得多。输入、输出接口，是模块功能的抽象，此类接口可以是能量、信息、物质（液体、气体）等，是定义该模块功能的输出标准和能够保证输出特定功能所必须的输入条件标准。例如，如果发电机对于发动机厂来讲是一个模块的话，发电机与发动机的连接尺寸等几何连接接口需要标准化和规范化。同时，发电机的输入转速、功率，以及输出的电流等输入、输出接口同样需要规范。

3.1.3 模块是依赖产品平台的存在而存在的

虽然模块的功能是自我包含、自我实现的，但是模块的存在和划分必须以产品平台的整体功能为前提。比如某一个收音机由接收器(Ra)、放大器(Aa)和电源(Pa)三个组件构成，当该收音机只有这样一种产品配置的时候，这里不存在任何模块，接收器(Ra)、放大器(Aa)和电源(Pa)是一个整体，不用区分。但是，当有另外一种收音机使用了另外一种电源(Pb)，这个电源(Pb)又与前一个电源(Pa)可以互换时，那么电源在没有任何变化的情况下，就会成为一个模块。因此，模块的功能和互换性都是依赖于产品平台的功能和配置变化而存在的，失去产品平台的定义和产品平台的配置需求，模块的存在是没有意义的。

3.1.4 模块是有层次的，并且受观察角度和范围的影响

模块可以包含子模块，因为模块的功能是整个系统功能的组成部分，所以子模块的功能应该是父模块的基本功能，所以能否称为模块是受观察角度和定义范围的影响而变化的。同样，模块层次越多管理难度越大，当模块层次划分过多，就与非模块化的产品结构没有什么差异了。例如，就模块的层次而言，柴油机是整车的一个模块，发电机又是柴油机的一个模块。站在不同的角度，模块的划分也会不同。发电机对于发电机生产商来讲是一个产品，对于柴油机生产商来讲是一个模块，而对于整车生产商来讲只是一个总成件了。整车厂的模块化产品平台中不需要定义发电机模块。

3.2 模块化产品结构的优点

模块化的产品结构对企业的贡献可以从产品研发、提高效率、降低成本和改进企业管理等几个方面考虑。

3.2.1 对企业产品研发的贡献

模块是产品知识的载体，模块的重用就是设计知识的重用，大量利用已有的经过试验、生产和市场验证的模块，可以降低设计风险，提高产品的可靠性和设计质量。模块实现产品功能的分配和隔离，使问题的发现和设计的改进变得容易。模块实现功能的抽象和实现分离，使设计人员容易掌握产品全局，同时设计人员可以屏蔽掉与自身领域无关的细节，从而关注更高层次的设计逻辑。模块功能的独立性和接口的一致性，使模块研究更加专业化和深入，可以不断通过升级自身性能来提高产品的整体性能和可靠性，而不会影响到产品其他模块。模块功能的独立性和接口的一致性，使各个模块可以相对独立的设计和发展，可以进行并行设计、开发和并行试验、验证。模块的不同组合能满足用户的多样性需求，易于产品的配置和变型设计，同时又能保证这种配置变型可以满足企业批量化生产的需求。

3.2.2 对企业工作效率和节省时间的贡献

设计和零部件的重用可以大大缩短设计周期；并行的产品开发和测试可以大大缩短设计周期；利用已有成熟模块可大大缩短采购周期、物流周期和生产制造周期，从而加快产品上市时间；如果划分模块时考虑到企业售后服务的特定需求，同样可以缩短服务周期和耗费资源时间。

3.2.3 对企业成本控制的贡献

模块和知识的重用可以大大降低设计成本；采用成熟的经过验证的模块，可以提高采购批量，降低采购和物流成本；采用成熟的经过生产验证的模块，可以大大减少由于新产品的投产对生产系统调整的频率，使新产品更容易生产制造，可以降低生产制造成本；产品平台中及平台之间存在大量的互换模块，可以降低售后服务成本。

3.2.4 对企业组织的贡献

有利于企业研发团队分工，规范不同团队间的信息接口，进行更为深入的专业化研究和不同模块系统的并行开发；抽象平台和模块的建立，可以实现企业组织结构与产品模块结构之间的交互，使并行工程拥有实施的根基，工艺、财务、采购和售后服务可以在产品研发早期就介入产品研发项目；标准规范的模块接口有利于形成产品的供应商规范；有利于产业分工的细化（比如下图的计算机行业，以及汽车行业）。

图2显示了计算机产业是随着计算机模块化的进程发展而分化和细化分工的。目前我们常常把PC机称为兼容机，实际上就是指不同品牌的计算机硬件是完全可以互换（兼容）的，这些硬件都符合IBM对PC机定义的接口标准。

图2 计算机模块化的进程发展细化分工

4 模块化产品的过程

传统的过程性系统的设计办法倾向于使高层次的模块依赖于低层次的模块，抽象层次依赖于具体层次。抽象层次包含的是产品系统的顶层的功能逻辑和宏观的、对整个系统来说重要的战略性决定，是必然性的体现，而具体层次则含有一些次要的与功能实现有关的功能和逻辑，以及战术性的决定，带有相当大的偶然性选择。

具体层次的需求会经常改变，抽象层次依赖于具体层次，使许多具体层次的细节变化会立即影响到抽象层次的宏观功能，导致微观决定宏观，战术决定战略，偶然决定必然，这显然是不对的。

将产品模块化，就是要把产品系统顶层的功能逻辑抽象成为模块，使具体的产品零部件设计依赖于抽象的模块层次逻辑。如图3所示，利用抽象的模块化层次，将企业产品的底层逻辑——数量众多的零部件抽象成为可以重用的模块，再利用模块的排列组合形成企业丰富的富于创造性的满足用户特殊需求的产品配置。这样，对于零部件组件层(底层逻辑)来，讲企业要尽量标准化，利用成组技术和Windchill系统中的WSF模块功能对这些零部件进行分类重用；合理划分模块层(抽象层)逻辑，使企业可以用数量最少的模块来配置生成数量众多的富于创造性的满足客户特殊需求的产品；最后，企业要利用平台化的战略，分析企业产品的目标市场，整合企业模块资源，以最少的产品变型满足最大范围的目标市场需求。

图3 抽象的模块层次逻辑

因此，模块化企业产品的大致过程是：首先根据产品功能和目标市场需求抽象企业的产品平台，然后根据产品平台和企业的业务实际划分模块组成，最后根据模块的划分来重新调整企业研发团队分工。

4.1 抽象化产品平台

产品平台的定义首先是根据大量的用户需求和不同的目标市场分析，定义出企业产品平台的主要功能目标。其次将主要的功能目标分解成主要的支撑实现功能，并定义好功能之间大致的输入和输出。最后根据企业目标市场的差异将企业的产品划分成不同的产品平台。大多数企业的平台划分都是在已有产品的基础之上进行的，往往企业的产品本身已经形成系列，这样调整的难度不仅是技术上的阻力，还有员工观念上的阻力，调整起来比较困难。同时随着产品复杂程度的提高，平台的划分也越来越难，必须具备对企业产品的深入理解，具备对企业产品全生命周期管理过程的深刻认识，同时掌握平台化、模块化的思想，才能定义好企业的产品平台。图4是某厂柴油机平台划分的实例。

图4 某厂柴油机平台划分

4.2 详细划分模块

模块的划分实际上就是在考虑重用和产品整个生命周期中的实际后，对产品功能的重新分配，将原有产品结构的零部件分解后重新组合的过程。

4.2.1 模块划分的大致原则

基于企业的特定需求，将产品按照产品结构和功能划分成可以重用和互换的不同功能单元，每个功能单元具有相对稳定的、一致的几何连接接口和输入和输出接口。特定需求包括：大量的客户需求；企业产品研发特点；企业生产和采购实际；产品的维修服务需求。

因此，模块的划分应尽量考虑整个产品生命周期中各个环节的需求，比如产品的模块可以考虑工艺合件、采购合件和维修合件等。但是，有的时候企业不同领域可能对某种模块划分的需求是相悖的，这时就需要企业进行平衡，要不改变企业业务模式以适应模块划分，要不容忍这种划分的缺欠并作为以后优化模块方案的内容。

4.2.2 模块的二元性

一方面，模块自身功能独立，具有标准连接接口和输入输出接口。另一方面，模块又是整个产品的一部分，不理解模块在产品中的作用和位置，就无法定义模块。这种既强调自身功能的独立性，又强调系统结构的归属性，就是所谓的二元性。因此，模块的划分必须既要抽象产品平台，又要考虑模块本身功能的独立。这两方面是相互影响的，在实际划分中可能会经历多轮的迭代才能形成满意的划分方案。

还以发电机为例，要回答车用发电机对于整车生产商来讲是不是一个模块的问题。上面提到，大多数发动机的动力总成模块都会包含发电机模块，提供车用电力。但是如果整车制造商对于发电机有特定需求，要求发电机必须在整车制造商处装配，发动机供应商提供的动力总成模块不允许带发电机，那发电机就很有可能成为整车制造商产品平台中的一个模块。从这个例子可以看出能不能称为模块是与这个模块隶属产品平台的需求决定的。

4.3 按照模块结构，重组研发团队

可以将某个模块或者某些功能相关的模块分配给一个研发团队，同时可以按照模块之间的接口来定义不同研发团队之间的交互信息标准。如图5所示，将模块之间的关联、交互关系定义若干种强度等级，把强相关的模块集中，要么将强相关的模块划分给一个团队，要么划分给组织上、地域上关联密切的多个团队。合理的模块划分和研发团队划分是进行产品的并行开发和并行试验验证的基础。

图5 模块等级划分

4.4 根据企业实际业务情况不断修订模块方案

企业的产品模块方案不是一成不变的，必定会随着市场和企业业务的不断变化而作出相应的调整。如图5、图6所示。

图6 模块划分方案的形成过程

企业一方面要严格控制新模块的产生，另一方面还要根据研发设计结果、市场反馈、生产变化和国家法规等方面的变化，对产品平台和模块进行适时调整，以适应新的企业内外部环境。

5 模块化通过PDM系统的实现

5.1 产品结构管理

Windchill系统提供产品结构管理功能，可以实现产品结构的描述，提供零部件隶属关系查询，提供产品结构比较、产品结构报表、产品结构版本和有效性控制等一系列功能。但是，实施了PDM系统并不代表企业就实现了产品的平台化和模块化。产品平台化和模块化是企业的产品研发方法和业务管理问题，有时甚至涉及到企业的组织机构重组。所以，产品的平台化、模块化是管理问题，需要企业自身投入大量的精力，以及PDM系统供应商甚至是第三方咨询公司进行大量的工作，来搭建企业的产品平台和模块化方案。信息系统只是实现企业管理的工具，必须把企业管理实际同信息系统实施结合起来，才能取得预期的效果。图7是某企业模块化产品结构在Windchill系统上的一种表现形式。

图7 某企业模块化产品结构在Windchill系统上的一种表现形式

5.2 零部件分类重用管理

有些PDM系统提供对相似零部件的分类重用检索功能，比如PTC公司的Windchill系统提供的分类重用软件模块WSF，可以提供很好的零部件标准化功能，系统用户可以迅速在整个系统中检索到符合设计参数需要的零部件或者设计参数相似的零部件进行重用，如图8所示。

图8 PTC公司的Windchill系统提供的分类重用软件模块WSF

这样可以实现对图三中描述的零部件组件层的标准化、通用化，进而实现压缩零部件种类、支持重用、提供设计参考等目的。

6 结论

产品平台化和模块化是解决目前制造企业产品的标准化、通用化与定制化、柔性化之间的矛盾的可行方案。而产品平台化和模块化目前正在从企业竞争的优势技术，向一种企业竞争的必备技术转变，是制造业发展的趋势，也势必会对在未来市场中的产业细分带来深远的影响。三流的企业卖产品，二流的企业卖技术，一流的企业卖服务，超级企业卖标准。行业中的模块化实际上就是行业的标准，谁在竞争中取得制订行业标准的能力，谁就会成为超级企业！

同时，PDM系统是产品平台化、模块化的使能技术。随着企业产品系列的不断增长，产品之间重用程度越来越高，企业产品数据的增长量会越来越大，保持产品数据的准确性、及时性、有效性以及可追溯性将会越来越困难，同样地由于各种原因引起的工程变更也越来越难以控制，因此企业实施PDM系统就成了必然的选择。

PTC公司的Windchill系统提供了很好的产品结构管理、产品配置管理和零部件分类重用管理功能的工具。但是，要想使用好这些软件的功能并为企业带来效益，企业必须拥有一个完整的关于产品平台、产品模块的划分，拥有关于零部件重用属性的建立以及产品配置的约束条件的制订等一系列实现产品模块化的解决方案。这些业务方案往往是决定PDM系统实施效果的最关键因素，唯有具有模块化思想与行业经验双重优势的人才，才能够作出准确和全面的方案。从中国目前PLM市场状况来看，无论是PDM软件供应商还是企业自身都缺乏这样的复合型人才，因此需要企业和PLM系统供应商应共同努力下大力气培养适合人才，只有这样实施PLM的企业才能取得满意效果，PDM软件供应商才能将市场越做越大！(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (12/1/2005)


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