再制造产品服务系统生命周期评价建模及应用…………………

郑汉东 陈 意 李恩重等

China Mechanical Engineering - - 中国机械工程 - (编辑 王旻玥)

郑汉东1,2 陈 意1 李恩重2 史佩京3 徐滨士2

1.合肥工业大学管理学院,合肥, 230009

2.陆军装甲兵学院装备再制造技术国防科技重点实验室,北京, 100072

3.河北京津冀再制造产业技术研究院,河间, 062450

摘要:基于再制造和产品服务系统的特征提出了再制造产品服务系统( RPSS)的概念,根据生命周期评价( LCA)方法框架建立了RPSS LCA模型,并以柴油发动机RPSS为案例对模型开展应用研究。研究发现,确保再制造产品质量和性能不低于新品,避免产品使用过程消耗大于新品是企业通过实施RPSS获得环境效益的关键;企业开展面向再制造的产品设计,提高产品再制造率,可以降低RPSS生命周期环境影响; RPSS可以为企业提供稳定的旧件来源,提高企业市场竞争力。

关键词:再制造产品服务系统;生命周期评价;环境影响;环境效益

中图分类号: N945.16

DOI:10.3969/j.issn.1004⁃132X.2018.18.005

LCA Modeling and Applications for RPSS

ZHENG Handong1,2 CHEN Yi1 LI Enzhong2 SHI Peijing3 XU Binshi2

1.School of Management,Hefei University of Technology,Hefei,230009

2.National Key Laboratory for Remanufacturing,Academy of Armored Force Engineering,

Beijing,100072

3.Jing⁃Jin⁃Ji Institute of Remanufacturing Industry Technology,Hejian,Hebei,062450

Abstract : Based on the features of remanufacturing and product⁃service systems,a concept of RPSS was proposed. The LCA model of RPSS was established according to the LCA method framework,and the applications of the model were carried out using diesel engine RPSS as a case study.Results show that the quality and performance of remanufactured products are not inferior to those of new products,which is the key for enterprises to obtain environmental benefits through the implementation of RPSS. Enterprises may develop products designed for remanufacturing to improve the remanufacturing rate of products and reduce RPSS life cycle environmental impact. RPSS may provide enterprises with stable sources of used parts and improve their market competitiveness.

Key words : remanufacturing product⁃service system(RPSS);life cycle assessment(LCA);environ⁃ mental implication;environmental benefit

0 引言再制造是将废旧产品恢复到质量和性能同新品一样的过程。通过实施再制造,企业可以最大限度地利用废旧产品中蕴含的资源,缓解资源短缺与产品需求之间的矛盾,减少报废产品对环境的危害。相比新品,再制造产品的成本降低50%,

收稿日期: 2018-04-02

基金项目:国家重点研发计划资助项目( 2017YFF0207905);国家自然科学基金资助重大项目( 71690235);国家自然科学基金资助项目( 51805540)

同时能耗和材料消耗分别减少60%和70% 。欧

[] 1美发达国家再制造产业经过多年发展,已经形成了成熟的技术、产品和市场体系。然而,我国再制造市场目前仍处于试点阶段,只有少量的原始设备制造商开展了再制造业务,如中国重汽集团济南复强动力公司对发动机和汽车零部件的再制造。多数原始设备制造企业没有认识到再制造对构建闭环供应链与变革产品服务系统的重要作用,与此同时,消费者对再制造产品的绿色形象和质量认可度较低,导致目前企业开展再制造的积

· ·

极性不高 。

[] 2作为实现制造企业可持续发展的解决方案,产品服务系统( product⁃service system,PSS)发挥着重要的作用 。在研究再制造企业发展的过程

[] 3⁃6

中,一些学者将PSS模式引入其中,得出许多重要结论。梁玲等 认为产品服务和再制造的增值已

[] 7经超过传统实体生产的价值创造,开始向“小产品大服务”的商业模式演进。周文泳等 以瑞典BT

[] 8叉车公司为案例,研究了PSS对再制造业务的促进作用,研究发现PSS不仅有利于企业获得再制造原料,获取再制造相关信息,还有利于再制造产品销售。刘宇熹等 研究了企业和消费者双

[] 9方努力程度对再制造下租赁产品服务系统绩效的影响,研究发现企业提供优质服务的努力和用户精心使用产品的努力既会影响到使用期间的服务数量和成本,也会影响到退租产品的质量和使用寿命。

上述文献主要集中于再制造业务发展和再制造产品服务等方面的研究,忽略了再制造系统中非常重要的环境效益部分。再制造被认为在节能、节材、环保方面具有良好的效益 ,

[ 10⁃11 ] PSS下的再制造环境影响如何评价是值得研究的问题。生命周期评价( life cycle assessment , LCA)方法是一种用于评价产品或服务相关的环境因素及其整个生命周期环境影响的最有力工具 。目前,有关PSS下的再制造产品LCA

[] 12研究较少。因此,本文提出了再制造产品服务系统( remanufacturing product ⁃ service system , RPSS)的概念,基于RPSS的功能和特征,根据LCA方法框架建立了RPSS LCA模型及流程,最后以柴油发动机RPSS为案例对模型进行分析和讨论。

1 RPSS的概念及其生命周期评价建模

1.1 RPSS的概念及模型

再制造产品服务系统( RPSS)是一种企业为客户提供再制造产品和服务组合的商业模式, RPSS包括旧件回收、废旧产品修复或升级、再制造产品租赁等内容,是以再制造产品功能为导向的服务模式。例如,我国目前在汽车零部件领域试点实施的“以旧换再”服务,消费者可以将报废的汽车发动机或变速箱返还给再制造试点企业,并以置换价购买再制造产品。再制造企业通过实施RPSS一方面为消费者提供了报废产品处置的服务,同时还提供了质优价廉的再制造产品以满足消费者的使用需求。PRSS提供商可以是原始· · 设备制造商( original equipment manufacturer, OEM),也可以是第三方独立再制造商。企业实施RPSS主要包含旧件回收、拆解、清洗、检测、修复或升级改造、装配、测试、销售运输、再制造产品使用报废后的处置等过程。

RPSS LCA模型见图1,LCA评价的系统边界通常包括“摇篮到大门”和“大门到坟墓”。建立RPSS LCA模型是为了定量分析企业实施再制造战略所产生的资源、能源消耗以及产生的环境排 图1 RPSS LCA模型

Fig.1 RPSS LCA model

放。RPSS生命周期评价建模的第一步是分析再制造产品和服务的基本特征,企业通过回收废旧产品,经过拆解、清洗、检测,得到可以再制造的零部件和不可再制造的报废件。可再制造零部件需要经过一系列再制造技术进行修复或性能升级,报废件则进行更换处理,需要收集分析RPSS生产系统中的消耗和排放清单数据。与传统的产品环境效益分析不同的是,基于LCA的RPSS消耗与排放统计不仅存在于再制造工厂内部,还包含再制造产品供应链的环境影响调查。尤其是针对RPSS消耗的电能、水资源、各种零件和辅材,需要调查这些消耗的环境影响,以及生产这些上游产品所产生消耗及排放水平,直至追溯到原始资源的开采与排放,因此RPSS LCA建模的第二步是调查再制造产品系统的消耗所涉及的上游生产过程的环境影响,调查范围涵盖了从“摇篮到大门”整个过程。对于消费型再制造品,还应追溯产品出厂之后的生命周期下游各个阶段,包括使用维

护、报废处置等过程, RPSS LCA建模的第三步则涵盖了“大门到坟墓”的整个过程。RPSS通过回收消费者手中的废旧产品,可以避免同型产品零部件的生产,降低资源、能源消耗和排放。但是,废旧产品回收、拆解、清洗、检测和修复加工过程同样产生一定的消耗和排放,特别是不可再制造件的报废与换新件生产,仍然会产生一定的消耗和排放,因此需要定量分析和综合评价。

1.2 RPSS LCA流程

根据生命周期评价指南 , RPSS LCA模型

[] 13

主要包含4个组成部分,见图2。

图2 RPSS LCA流程

Fig.2 RPSS LCA process

( 1)目标与范围定义。首先确定RPSS的研究对象,具体包括产品型号和服务方式。然后定义研究目标,帮助企业识别RPSS产生的主要环境影响类型及其生命周期阶段,为企业改进商业模式提供参考。其次是定义功能单元,包括何种数量、质量的产品或产品服务组合,使用多长时间,报废后如何处置等。最后确定系统边界,找出RPSS与环境或其他产品系统之间的界面, RPSS所包含的阶段以及可以忽略的过程。

( 2)生命周期清单分析。RPSS生命周期清单分析主要采集旧件回收、再制造修复升级、产品使用和报废处置4个过程中发生的资源消耗和环境排放数据,说明数据来源和数据质量。通常, RPSS的数据主要来源于两方面,一是实景过程数据,主要统计企业实施RPSS各个过程中的消耗和排放数据;二是背景过程数据,主要关联背景数据库,直接调用数据库中的电力、燃油、钢铁冶炼加工等大宗原材料和基础能源的LCA数据集。

( 3)生命周期影响评价。生命周期影响评价 运用定量的方法分析RPSS潜在的资源能源消耗、生态健康等环境影响。影响评价主要包括选择影响类型(如全球变暖、非生物资源消耗等),将清单分析结果分类到相应的环境影响类型,以及运用科学的当量因子将清单的环境影响进行量化。

( 4)生命周期结果解释。生命周期结果解释主要是检查和评估RPSS生命周期清单分析和影响评价的结果。结果解释包括重大环境影响的识别,在完整性、敏感性和一致性分析基础上对生命周期影响结果的评价、最后结论的解释和建议的提出等。

2 发动机RPSS LCA案例研究

2.1 目标与范围定义

本文选取WD615.87型再制造斯太尔柴油发动机为产品对象,对企业为客户提供旧件回收、再制造修复升级和产品报废处置等服务组合的RPSS进行研究。功能单位设定为回收并再制造WD615.87型柴油发动机1台,用于重型柴油货车( 10 t)运输5×105 km,使用报废后回收至拆解厂进行材料回收处理。案例采用2017年济南复强动力有限公司实际生产数据,选择3种环境影响类型指标进行计算,分别为全球暖化潜值( global warming potential,GWP)、初级能源消耗( prima⁃ ry energy demand,PED)和非生物资源消耗潜值( abiotic depletion potential,ADP),并采用亿科环境科技有限公司研发的在线 LCA 分析软件eFootprint 进行 RPSS 全生命周期建模, RPSS LCA评价过程中涉及的大宗原材料和能源的消耗、排放数据来源于中国生命周期参考数据库( CLCD) 、欧盟 ELCD(European reference life

[] 14 cycle database)数据库和瑞士的 Ecoinvent 数据库。该研究代表的是企业水平, LCA分析结果可以为相关企业实施RPSS提供参考,也可以为原始新品生产消费系统的环境影响分析对比提供参考。

2.2 生命周期清单分析

2.2.1 旧件回收

根据调研,该企业从全国77家维修站回收发动机旧件,通过统计2017年全年从各个站点回收旧件的数量,以及各站点到再制造工厂的运输距离,计算得到平均回收1台再制造毛坯(发动机旧件)的运输距离,运输过程的能耗与排放数据来源于CLCD数据库,回收过程的清单数据见表。1

2.2.2 发动机再制造修复与升级

发动机再制造修复与升级过程包含从发动机旧件进厂到再制造发动机包装入库完成,再制造工艺流程见图3。我们将发动机再制造分为若干个典型过程,如拆解、清洗、检测、修复、组装、测试、包装等,统计了每个过程平均1台发动机的能耗,忽略了零部件工厂内部运输能耗和排放。该过程数据来源于企业调研,再制造发动机的主要原料是发动机旧件和更新件,加工过程的主要消耗为电能和柴油,耗能设备包括高温高压清洗机、超声波清洗机、高温分解炉、悬挂式抛丸机、高温热处理炉、齿轮磁粉探伤系统、纳米复合电刷镀设备、高速电弧喷涂系统、激光熔覆再制造成形系统、车床、珩磨机等。发动机再制造修复与升级过程消耗与排放的清单数据见附件。

图3 再制造发动机工艺流程

Fig.3 Technological process for remanufactured engine 2.2.3 再制造发动机使用

客户获得再制造发动机后,主要用于重载卡车运输。研究设定再制造发动机使用寿命与新品一致,为重型柴油车货车( 10 t)运输5 ×105 km。使用过程产生的能耗和排放数据来源于CLCD数据库,使用过程清单数据见表2。

表2 使用过程清单数据

Tab.2 Service process inventory data of

remanufactured engine 2.2.4 再制造发动机废弃

再制造发动机废弃后的处置方式主要为资源回收,运输至拆解厂的距离为50 km,拆解得到的主要可再生材料为铝合金、合金钢、铸铁等。据企业统计,再制造发动机报废后的回收率为 80%,再生原料回收率为95%,假设再生材料产率为100%,抵扣的初生材料计算公式为

P = ZRw Rr Rm Q/ 2

其中, Z为含量, Rw为产品回收率, Rr为再生原料回收率, Rm为再生材料产率, Q为品质修正系数。再制造发动机报废后可再生成分见表3,再制造发动机废弃过程清单数据见表4。

表3 再制造发动机回收可再生成分统计

Tab.3 Renewable materials of remanufactured engine 2.3 生命周期影响分析

基于 RPSS模式的再制造斯太尔WD615.87型柴油发动机全生命周期环境影响分析结果见表 5。其中GWP为 84 100 kg二氧化碳当量( kg CO2 eq.),PED 为 960 500 MJ,ADP 为 0.336 kg锑当量(kg antimony eq.)。

表5 再制造发动机LCA结果

Tab.5 LCA results of remanufactured engine

发动机RPSS全生命周期各阶段环境影响百分比见图4,同绝大多数能耗产品相似,再制造发动机使用过程为最主要的消耗和排放过程, LCA结果占全生命周期环境影响的99%以上。

图4 发动机RPSS全生命周期各阶段环境影响百分比Fig.4 Percentage of environmental impact of engine

RPSS life cycle再制造发动机生产过程各环节LCA结果见图5,更新件生产过程和再制造修复过程是主要的消耗排放过程,且更新件生产过程LCA结果大于可再制造件修复过程LCA结果。其次是清洗、包装、检测、测试等过程。 图5 再制造发动机生产过程各环节LCA结果

Fig.5 LCA results of remanufactured engine

production process再制造发动机生产过程GWP、、PED ADP 的Pareto图和双饼图见图6和图7。以全球暖化指标

图7 再制造发动机生产过程双饼图

Fig.7 The pie graph for remanufactured engine

production process为例,更换新件和修复2个过程的排放占到整个生产过程的80%以上,其中缸盖总成修复、活塞总成换件是这2个过程环境影响的主要因素。

2.4 生命周期结果解释

本研究基于如下设定: ①参考国内外再制造产品 LCA研究热点,将 RPSS系统边界定为从旧件回收开始,废旧发动机回收之前的生命周期各个阶段消耗和排放未纳入系统边界之内; ②假设回收的每一台发动机旧件都可以再制造,即旧件再制造率为 100%;③RPSS LCA 模型忽略了生产过程中零部件在工厂内部的运输能耗,以及再制造发动机客户维护过程的材料和能源消耗。

本研究具有以下几点局限性: ①再制造过程需要更换的易损件如密封件、紧固件等通常是企业外部采购,涉及多个上游供应链企业,数据收集存在困难。案例将CLCD数据库中的背景数

· ·

据作为零部件的近似值(如密封件用橡胶材料近平均状况。似表示,螺栓用碳钢材料近似表示),计算结果考案例研究采用的取舍规则以各项原材料投虑了数据质量的不确定度。②案例数据来源于入占产品质量或过程总投入的质量比为依据,忽我国最早从事发动机再制造的中国重汽济南复略物料总质量占比为0.34%。报告采用CLCD强动力有限公司,其生产规模和技术处于国内先质量评估方法,在LCA软件系统上完成对模型进水平。因此,案例研究得到的该型柴油发动机清单数据的不确定度评估,数据质量评估结果见RPSS全生命周期环境影响结果仅代表特定企业表6,经专家咨询,所得评估结果有效,符合方案和特定方案水平,无法代表该产品再制造行业的实际。

表6 再制造发动机LCA评价数据质量评估结果

Tab.6 Data quality assessment results of remanufactured engine LCA

3 讨论

( 1)RPSS的LCA主要涵盖旧件回收、再制造修复升级、产品使用和报废处置4个阶段。以柴油发动机RPSS为例的高耗能再制造产品服务系统,其LCA环境影响主要来源于使用阶段。柴油生产及其上游过程和发动机消耗柴油产生的排放造成的环境影响占产品全生命周期环境影响的99%以上,因此,确保再制造产品质量和性能不低于新品,避免产品使用过程的消耗大于新品是企业通过实施RPSS获得环境效益的关键。

( 2)柴油发动机RPSS生产过程的环境影响主要表现在两方面:一是可再制造零部件修复和升级过程产生的环境影响;二是更新件制造过程产生的环境影响。从清单分析结果来看,再制造更新件制造所产生的环境影响大于可再制造零部件修复产生的环境影响,因此,企业开展面向再制造的产品设计( design for remanufacturing,DfR),提高发动机零部件再制造率,降低易损件和不可再制造件的数量(或质量),可以降低RPSS生命周期环境影响。

( 3)柴油发动机再制造修复过程中,高温清洗、电弧喷镀和激光熔覆等技术会消耗大量电能、柴油和一定的金属辅料,小批量再制造无法获得规模效益,因此,企业通过实施RPSS,在新品销售过程中与客户达成旧件回收契约,可以更好地管理回收产品流,为再制造生产提供稳定的旧件来源,可以提高再制造批量规模,同时有助于形成良好的客户关系,提高企业市场竞争力。

( 4)再制造产品一般为蕴含较大价值的复杂· 2202 ·

耐用产品,包含多种不同材质、尺寸和重量的零部件,涉及多家零部件供应商。RPSS LCA评价不仅包含再制造企业生产过程,还涉及供应链上下游企业的生产过程。提高RPSS LCA结果的精确度,需要上下游企业密切配合,因此, RPSS供应链企业采用统一的清单数据统计、核算、分配和评价是未来企业和行业开展RPSS LCA的重点。

4 结语

本文基于再制造和产品服务系统的特征提出了再制造产品服务系统( RPSS)的概念。针对目前RPSS环境影响评价缺失的问题,本文根据生命周期评价( LCA)方法框架建立了RPSS LCA模型,并以柴油发动机RPSS为案例对模型开展应用研究,可为企业开展RPSS LCA提供参考。通过RPSS LCA,可以帮助制造/再制造企业从传统的产品导向发展模式向服务导向的发展模式转型过程中,找到一种更加低碳、环保的路径,实现企业绿色可持续发展。

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(编辑 王旻玥)

作者简介:郑汉东,男, 1985年生,博士研究生。研究方向为再制造工程管理与标准化。发表论文10余篇。李恩重(通信作者),男, 1985年生,讲师。研究方向为再制造工程管理与技术标准。发表论文10余篇。E⁃mail:[email protected]

0 引言我国的制造业目前整体上呈现“大而不强”、低端制造产能过剩、高端制造创新与供给不足、环境问题日益恶化等局面,传统制造业的不可持续性仍非常显著。为此, 2015年《中国制造2025》明确提出“推动生产型制造向服务型制造转变,从主

收稿日期: 2018-04-02

基金项目:国家自然科学基金资助项目(51775517,51522501);河南省科技创新人才计划项目(184100510007);河南省产学研合作计划项目( 172107000019)

要提供产品制造向提供产品和服务转变”。德国西门子股份公司、瑞士ABB有限公司、美国通用公司以及国内的陕西鼓风机(集团)有限公司、杭州杭氧股份有限公司等一流制造企业,剥离外包非核心业务并专精于核心业务,从传统的以单纯销售物理产品,向客户提供“产品服务系统”的整体解决方案转变 。产品服务系统( product ⁃ ser⁃

[] 1⁃ 2 vice systems,PSS)是一种向消费者提供面向生命周期的个性化“物理产品和/或服务”整体解决方案,其目的是通过向用户提供个性化的产品和增值服务来实现产品的价值增值、服务增效与可持

续发展,形成“互联网+产品+服务”的生态系

统 。当前,针对PSS的研究与应用是国际学术

[] 3⁃6

界和产业界的热点,也是传统制造企业转型升级

的主要发展方向 。

[] 1,6

近年来,随着全球化市场竞争、客户需求的个

性化与多样化等日益强烈,产品制造日益呈现出个

性化和小批量等特征,大规模个性化时代已经到

来。2010年, TSENG等 提出了大规模个性化的

[] 7

概念。大规模个性化是通过大规模生产,在产品或

者服务生命周期内向用户提供独一无二的产品或

服务体验来满足客户的个性化需求,实现真正意义

图1 制造模式变迁演化历程

[] 9上的用户独特的功能、服务或价值体验 。2014 Fig.1 Evolution periods of manufacturing mode

[] 7⁃8

[] 9

年4月,第24届CIRP(The International Academy 3D打印是一种基于数字模型文件,将粉末状for Production Engineering)产品设计国际会议的金属或塑料材料进行高温熔化叠加增材的生产方会议主题为“大规模定制与个性化”,将大规模个性式 。3D打印可以实现客户参与的完全个性化

[] 11

化的研究推向了领域前沿。2016 年8月,在第12设计,但由于其加工方式特殊,其材料和应用范围届设计与制造前沿国际会议上, HU等 提出了具有一定的局限性。在大规模数量需求下,其生

[] 9⁃10

“open product”设计,即为产品大规模个性化设计。产效率和产能与传统的减材制造方式相比较为低

PSS和大规模个性化已成为当前及未来一段下,因此,在当前及未来较长的一段时期内,传统时期重要的产品与服务提供模式。基于此原因,的减材制造方式仍占据核心地位。本文将研究面向大规模个性化的PSS模块化设计在传统的减材制造模式下,针对传统产品和方法。分析大规模个性化与大规模定制模式的不PSS设计的相关研究,主要是一定批量的大规模同,归纳总结面向大规模个性化的PSS模块化设定制生产方式下的设计开发,在功能建模、开发过计基本特征与实现模式,提出面向大规模个性化程、方案设计、配置设计、产品平台等方面取得了的PSS模块化过程与方法。一系列进展 。大规模定制模式是一种以大批

[ 12⁃18 ]量生产的低成本、高质量和高效率提供定制的产1 大规模个性化模式与大规模定制模式

品与服务的生产方式,为PSS的大批量快速实施制造工业经历了一系列变迁,从手工制造时代提供了基本原理和技术支撑 。然而,大规模定

[ 19⁃20 ]到大规模生产时代,再到大规模定制时代(见图制并不是真正意义上的个性化,而是针对特定细1)。产品制造模式(即产品变型)从低产量多变型、分市场的批量大规模生产,不能真正体现出每个小批量少变型、大批量少变型发展到小批量多变型用户独特的个性需求与服务体验 。大规模个性

[] 21 (大规模个性化)。然而,大规模个性化生产模式也化与大规模定制在面向细分市场、用户需求、设计表1 大规模定制与大规模个性化设计的区别

[ 7,9,20⁃21 ]

Tab.1 Differences of mass personalization and mass customization

[ 7,9,20⁃21 ]

空间、用户参与深度和设计指标等方面存在着较大的区别(见表1)。

在面向大规模个性化模式下的PSS提供中, PSS主要提供类型包括面向产品的PSS、面向使

用的PSS和面向结果的PSS,能针对不同类型的用户个性化需求提供不同的解决方案 。PSS的

[] 3⁃ 4个性化与服务多变性必然造成企业在管理、设计制造、供应和实施等环节成本的大幅增加 。模

[] 22

· ·

块化是一种降低运营成本和增加PSS效能,兼具设计情况下开展面向细分市场的配置设计,并不个性化与大规模生产,实现用户需求快速供给的能实现客户一对一的大规模个性化需求 。因

[] 7⁃10有效途径 。此,面向大规模个性化PSS与传统PSS的模块化

[ 21,2 3⁃ 26 ]

基于表2的分析,面向大规模个性化PSS与传设计存在较大不同。

统PSS的模块化设计在研究目标、个性化程度、参基于以上论述与分析,研究大规模个性化生与方、模块化粒度、系统复杂度和设计难度等方面产模式下PSS模块化设计理论框架体系,通过物均存在较大不同。大规模定制模式下的模块化设理产品与服务内部模块的快速组合,实现客户需计研究,模块化方案规划、配置设计机制、模块化求的大规模、个性化、低成本与快速提供。这是本产品架构、模块和关键参数都是保持固定和预先文的出发点。

表2 面向大规模个性化PSS与传统PSS的模块化设计的区别

Tab.2 Differences of modular design between PSS oriented to mass personalization and traditional PSS

2 面向大规模个性化的PSS模块化设计研究与应用现状

2.1 PSS模块化设计研究进展

PSS模块化设计是由一系列物理模块与服务模块的优化配置来完成的。物理模块是具有某种确定独立功能的半自律性的子系统,它可以通过标准的界面结构与其他功能的半自律性子系统按照一定的规则相互联系而构成更加复杂的系统。服务模块是一种功能独立的有形服务或无形服务的抽象体,通过物理模块和服务过程的互动来实现服务的功能。

在 PSS模块化设计领域, 2006 年, AURICH等 首先提出了PSS的模块化设计框架、原理和

[] 23

配置设计方法;建立了实现技术型PSS模块化原理,提出通过一个过程库来设计和制造技术型PSS 。2011 年, TUUNANEN 等 通过2 个

[ 26⁃27 ] [] 28案例验证了服务过程的模块化设计,能使服务过程族得到重用并组合出客户满意的服务产品。GENG等 提出一种新的PSS概念化设计方法,

[] 29它包括建立用户任务模型、功能模型以及概念化服务蓝图。董明等 提出一种基于本体的模块化

[] 30建模和配置方式,在面向配置的整体产品建模中,采用可达矩阵方法对服务要素进行模块划分,提出基于元本体的PSS配置设计方法。WANG等 提出了一个面向PSS的并行模块开发框架,

[] 31

· ·

采用质量功能矩阵方法与Portfolio技术实现了面向PSS的模块化开发。2012年, GEUM等 提出

[] 32一个基于质量屋的服务模块化框架和服务集中的模块化方法,他将服务分解为3个维度:服务过程、服务结果和服务的先决条件,并采用聚类分析法实现了模块识别。2013年, LONG等 考虑客

[] 33户需求,提出了基于支持向量机的PSS 配置模型。为了提高PSS的实施效能, SHIKATA等

[] 34提出了采用模块化产品架构的方法扩展多样化的服务以增加产品的附加值。2014年和2015年,宋文燕等 提出了基于工业服务蓝图的服务模块

[ 35⁃ 36 ]识别方法,利用基于模糊树理论的模块化构建方法得到不同方案;并提出了基于粗糙近理想解法的服务方案决策模型。同一时期,李浩等

[ 24 ,2 5 ,3 7⁃ 41 ]在集成服务型产品和广义产品的模块化方面做了较多研究,建立了广义产品模块化过程总体模型,提出了一个三阶段的交互式集成服务型产品模块划分方法,并采用质量屋法来评价广义模块之间的一致性,确保模块划分的合理性与一致性;通过提出功能性服务的概念理清了物理模块与服务模块的交互关系,建立了广义产品模块化主结构和实例结构模型,实现了物理模块与服务模块的有机融合。

学者们针对集成服务型产品(即面向产品的PSS)、广义产品和PSS等对象进行了模块化设计

相关研究,并在物理与服务模块关系、模块识别与见面向大规模个性化的模块化PSS系统的相关划分、模块描述与建模、配置设计等方面做出了一报道。

系列开创性成果。但是,目前针对PSS的研究没在大规模个性化提供模式下, PSS主要矛盾有解决物理模块与服务模块数量关系这个难题。冲突转移至系统内部和系统外部冲突上。系统外2.2 大规模个性化的研究进展部体现为个性化和可靠性,利益对象是客户;而系

大规模个性化设计的目标是提高用户体验和统内部因素是模块化度、低成本,利益对象是PSS参与度的同时仍保持后端的生产效率,这是近几提供商。如何平衡系统内部和外部因素,探索多年的研究热点。TSENG等和ZHOU等 提出目标之间的冲突消解机制,使得客户和制造商的

[] 7 [] 8

了面向大规模个性化设计的技术架构,该架构包满意度均最大化和双赢才是PSS系统个性化设计括产品设计、过程设计和供应链设计等步骤,分别的最终目标。通过产品平台、过程平台和供应链平台来实现,归

3 面向大规模个性化的PSS模块化设计纳了大规模个性化设计的典型特征:用户体验、产

基本特征与实现模式品变化和协同创造,分析总结了面向大规模个性

化的情感和认知设计的关键维度 。MURTHI 3.1 面向大规模个性化的PSS模块化设计基本特征

[] 8

等 提出了一个个性化设计的体系框架,包括个表3为面向大规模个性化的不同类别PSS模

[] 42

性化实现关键阶段:识别客户偏好、匹配客户需块化特征分析,分别从模块组成、模块类别的变求、识别和匹配过程评估。为了推动大规模定制化、用户决策关注点、设计优化目标和个性化体现向大规模个性化转变, REIß等 提出采用电子商形式等方面进行了分析。值得说明的是,不同类

[] 43

务服务的方式来实现大规模个性化; KUMAR 型的PSS在模块组成和配置设计时模块类别等方

[] 44

提出了推动大规格定制向大规模个性化转变的关面存在较大不同,见表3。在模块组成上,面向产品键因素,如客户/市场共享、IT技术等;也提出了一的PSS需提供给用户物理模块和相应的服务模块;个采用效率指标来测量大规模定制与个性化效率对于面向使用的PSS,有的特殊产品,为保证租赁的方法 。为了将客户行为施加到个性化的产品后的产品能有效运行,还需要提供相应配套模块。

[] 45

与服务上, ADOMAVICIUS等 提出了一个基于配套模块为一种特殊的模块,主要是为保障面向使

[] 46

迭代反馈的个性化提供过程,主要包括3个阶段:用的变压器和面向结果的PSS能正常运行而必选理解客户需求、投递个性化产品和测量个性化的提供的,但这些模块在面向产品的PSS提供时仅为影响。可选模块。以变压器为例,在面向使用的变压器提

针对大规模个性化设计的研究目前还处于供时,用户主要购买变压器及其配套服务的使用起步阶段, TSENG和JIAO课题组对面向大规模权,即租赁变压器。此时,高低压开关控制柜变为个性化设计的技术架构进行了较多研究。大规必选模块,必须要配套才能完成变压服务;但在面模个性化设计容易导致模块数量失控和成本大向产品的变压器销售时,高低压开关控制柜是可选幅增加。为了控制成本和实现高效率提供,模块模块。在面向结果的变压器提供时,部分服务模块化设计原理是必不可少的基本支撑手段,目前未如回收服务、金融租赁服务等不再提供。

表3 面向大规模个性化的不同类别PSS模块化特征分析

Tab.3 Analysis of modular characteristics of different types of PSS oriented to mass personalization

3.2 PSS大规模个性化的实现方式

PSS大规模个性化的实现可以从4个视角来分析,见表4。分别从PSS类别、PSS提供维度、PSS提供阶段和PSS模块类别等不同视角进行个性化实现方式分析。在用户根据自己的个性化需求选择产品类别时,可选择3种不同的模式来实现:面向产品的PSS、面向使用的PSS和面向结果的PSS,实现了一定程度上的类别个性化;在PSS提供阶段,可以提供个性化物理产品、个性化服务,也可以通过个性化供应链;在PSS产品设计阶段,可通过个性化的物理模块、个性化的服务模块或者两者集成提供来实现PSS的产品设计个性化。

表4 PSS的个性化实现方式

Tab.4 Ways of realization of personalized PSS

基于对PSS个性化实现方式的分析, PSS模块化设计的个性化可从4个方面展开。① 广义需求(含功能需求、性能需求、个性需求和可持续需求等)获取的智能感知,通过历史记录、信息系统实时监测等手段来分析判断用户的独特需求品味和特征,智能感知有一定的不确定性和提前预知性。② 具有可变性和自适应性的PSS产品族架构。在大规模个性化设计阶段,必须依靠产品平台才能实现其大规模批量化和低成本化,而产品族架构规划是基于产品平台的PSS模块化设计的核心。传统产品族架构所规划的产品模块化设计机制、模块化产品架构、基本模块和关键参数等都是保持固定和预先设计情况下开展面向细分市场的设计,而在大规模个性化生产模式下, PSS模块化产品族架构应具有可变性和自适应性,以支持用户的个性化需求和不同类别PSS的模块化实现。③ PSS的个性化自适应配置设计。当感知到客户的个性化特征后,可通过自适应配置设计出一系列个性化的产品与服务模块组合来满足用户需求;同时,在配置设计过程中,支持PSS个性化模块的情感认知再设计,以满足用户的个性化需求与体验。④PSS的个性化提供过程。配置和提供的产品是满足用户需求的,可能是独一无二的,也可能是与其他用户一样的,但可通过投递过程· · 来实现提供过程的个性化,而模块化是实现个性化的基础。

4 面向大规模个性化的PSS模块化过程与方法

4.1 面向大规模个性化的PSS模块化过程建模方法

面向大规模个性化的PSS模块化建模过程主要分为PSS模块化方案设计与规划、PSS模块化配置设计和PSS模块化实现3个步骤(见图2)。 图2 面向大规模个性化的PSS模块化过程

Fig.2 Modular process of PSS oriented to

mass personalization

在PSS模块化方案设计与规划阶段,通过对大量客户需求和可持续性需求的获取,对不同类型的PSS进行方案设计、模块划分与模块设计,形成一系列物理与服务模块;并对PSS产品族架构进行规划,建立PSS产品平台。在PSS模块化配置设计阶段,根据某客户的需求,进行个性化推荐和体验,建立PSS模块化实例结构,并对个性化模块进行情感认知再设计,使得配置后的PSS尽可能满足部分客户的独特需求。在PSS模块化实现阶段,首先是模块的智能制造阶段,通过对物理模块和功能性服务所需要配套的物理模块进行智能化的制造,让用户可追踪和体验个人定制产品的制造过程,使用户获得制造过程的独特体验。在

PSS的系统投递阶段,对于面向产品的PSS,其物理投递过程主要在物理产品销售阶段与服务运维阶段,其个性化的实现主要在于模块化提供和产品服务运维阶段;对于面向功能的PSS,其形式主要是租赁或共享物理产品,个性化实现在PSS的租赁或共享物理产品期间;对于面向结果的PSS, 域( CA)、功能域( FD)、产品域( PD)和过程域

( PD)。然而, PSS设计理念显著不同于传统物理

产品, PSS模块化投递过程(即投递域)是PSS个性化提供与服务体验的重要组成部分。在本文中, PSS模块化过程将传统4个域扩展到5个域。5个域的实现由4个系统或平台进行支持,分别是PSS设计系统、PSS产品平台、PSS制造平台和PSS服务平台。PSS模块化系统的5个域在映射过程中,需要探索有效方法支持不同域之间的有机集成与转化。4.2 面向大规模个性化的模块化PSS系统方案设计4.2.1 不确定环境下用户需求获取与功能设计

在面向大规模个性化的PSS系统模块化设计模式下,由于服务的动态性、随机性、无形性以及

PSS的多样性等特征,在划分PSS的市场区段、产品与服务变型及用户是否使用购买初期的服务等均充满了不确定性。在产品设计初期就考虑产品使用期的功能性服务和非功能性服务使得产品大规模个性化环境下的模块化方案规划变得更加困难。

不确定环境下用户需求获取与分析的情景模式见图4,主要是客户情感需求与产品服务系统设计的交互过程。在这个过程中,需要主动感知个性化需求,同时设计师将功能设计方案动态实时反馈给客户,以确定是否是客户的实际需求。对用户需求相关的未知不确定性进行分析,需要找出与 主要是销售产品的功能结果,个性化是在产品功能结果向用户提供期间实现的。

面向大规模个性化的PSS模块化过程建模方法主要是通过5个域的转换和4个系统或平台的支持来实现(见图3)。SUH 提出公理设计方法

[] 47并将传统的物理产品设计世界分为4个域:用户 图4 不确定环境下用户需求获取与分析的情景模式Fig.4 User demand acquisition and analysis model

under uncertain environment其相关的主要设计参数。将不确定性作为需求的一部分分类固化下来,分布于基本需求、个性化需求和生态性需求中,可以采用 Kano 模型图和Kano模型需求归类矩阵构建PSS的个性化需求层次模型,并确定个性化需求项的重要度排序 。根据需求分析的不同类别及需求项重要

[] 48度,建立功能映射关系模型,完成功能方案规划,通过有效的方法实现合理的功能设计。Kano 的质量模型将顾客需求分为基本型需求、期望型需求和兴奋型需求。基本型需求是顾客认为在产品中应该有的功能或需求;市场调查中顾客所讨论的通常是期望型需求,在实际产品与服务中实现的越多,顾客就越满意;兴奋型需求是指令顾客想不到的产品特征,如果产品或服务满足了这类需

· ·

求时,顾客对产品就非常满意。PSS 的4种类型产品中,纯物理产品和面向产品的PSS为基本型需求,面向使用的产品为期望型需求,面向结果的产品为兴奋型需求。针对每一种类型的PSS,其模块构成中也分为基本功能需求模块、期望型需求模块和兴奋型需求模块,需要针对每一种类型进行深入分析。

4.2.2 PSS模块划分方法

PSS模块划分主要是完成不同类型PSS的模块划分, PSS模块包括物理模块与服务模块。面向大规模个性化下的物理与服务模块划分是一个交互式设计过程,即基于客户的需求先进行服务模块划分;然后,基于划分后的服务模块划分物理模块;最后,基于划分后的物理模块进行服务模块的完善。这一过程可以看成一个基于客户需求和服务商设计需求的主从双层规划决策过程。

经过前期研究分析,主层为服务模块划分层,从用户最大个性化和服务体验的角度出发;从层为物理模块划分层,考虑性能、质量、成本等综合因素,并基于服务商的视角进行的设计,以性价比最高和易于柔性制造为目标。它们之间是交互循环的关系,确保用户和服务商的利益均衡,具体过程见图5。

在大规模个性化设计中,将设计行为纳入“社会-经济-环境-人”的系统中,旨在平衡环境、社会和经济三方面的设计实践与设计管理。在模块划分评价指标方面,采取体现生态性评价方式。基于双层规划的PSS模块划分过程最重要的步骤是制定合理的模块划分评价指标体系。虽然PSS模块划分需要考虑到生态学评价原则,然而任何模块化系统所需要遵循的基本准则必须得到保证,如功能独立性原则、弱耦合原则、粒度适中原则等,而对于PSS系统的特色指标为面向服务的原则,即在物理模块设计过程中,要考虑服务过程的便利性,同时支持功能性服务的运行;在服务模块设计时,考虑服务过程、服务类等特殊存在形式。

4.3 面向大规模个性化PSS的模块配置优化决策4.3.1 多层次个性化优化决策框架

与传统的产品设计过程相比, PSS的个性化自适应配置设计与优化决策更强调服务方案的个性化推荐、用户个性化体验与服务商模块主从决策优化和基于情感认知的个性化模块再设计。这些研究内容更能体现出面向大规模个性化的PSS模块化设计的特殊之处:自适应性、个性化极致体验和系统参与方的高满意度。多层次个性化自适应配置设计分为5个层次,分别为需求获取层、个性化推荐层、个性化服务方案层、模块配置提供层、情感再设计层(见图6)。

PSS模块配置设计的交互式体现在个性化服务方案层和模块配置提供层之间。个性化服务方案层是用户个性化选择和设计的模块层,主要决策和设计主体是用户;主要满足用户的关注点和选择及设计需求,模块粒度较粗。零部件层是粒度较细的模块层,是制造商基于用户选择和设计后的个性化方案,在此基础上进行的模块设计优化与改进后的层次。

4.3.2 基于协同过滤的服务方案个性化推荐方法

为了帮助客户更高效和精准地进行个性化选择和推荐, PSS制造商或服务商可以按照客户的浏览习惯、消费习惯、使用情况、需求特征等对PSS服务方案进行个性化推荐。互联网和电子商务的快速发展使企业能够收集到大量的用户信息,为个性化推荐提供了基础。向客户个性化推荐的内容包括,不同类型PSS方案,不同类型PSS的模块化构成,可选择以及可个性化设计的模块族等。推荐算法(或推荐策略)是整个PSS服务方案个性化推荐系统中最核心的部分,在很大程度上决定了推荐系统的性能优劣。基于用户的协同推荐主要过程为:筛选出对象中的集合型指标符合用户的个性化需求的对象,将不符合用户需求偏好的对象删除;根据客户对感兴趣的服务方案模块进行偏好打分,得到一个评分集合;根据相关相似性算法进行相关性评价;通过上面提出的相关相似性度量方法得到目标用户的最近邻居,下一步需要产生相应的推荐;对所有未评分的推荐对象的评分;基于个性化服务方案层和模块配置提供层的联合循环优化,开展双层设计决策。常见的相似性计算有欧几里德距离评价和皮尔逊相关度评价等方法。

4.3.3 用户个性化体验与服务商模块配置优化主从决策方法

根据用户服务方案的个性化推荐结果,可以快速发现用户的偏好,个性化推荐高效地为用户提供了较好的PSS类别及主要物理与服务模块。然而,还需要通过交互式模块配置设计方法和面向情感认知的再设计方法对模块进行配置和个性化,以满足用户的个性化需求与服务体验。个性化服务方案层与模块配置层交互式设计过程中需要解决用户和服务商之间的交互式机制和配置优化目标函数设置等难题。

个性化服务方案层与模块配置提供层交互式设计过程是一个主从双层决策问题。个性化服务方案层是从用户最大个性化和服务体验的角度出 发,直接参与个性化物理与服务模块的设计,以及选择模块的定制选择;模块配置提供层设计是基于个性化服务方案的配置结果,以利润率最高和易于柔性制造为目标。它们之间是交互循环的关系,确保用户和服务商的利益均衡。在交互式PSS模块配置设计过程中,配置设计的总目标是配置出用户个性化体验最大与服务商易于柔性制造且利润率最高的PSS实例。然而,针对不同类型的PSS,其具体优化目标也有较大的区别,如面向产品的PSS配置优化目标更强调PSS生命周期内的可扩展性、可升级性和服务便利性;面向使用的PSS在配置优化时,针对不同层次的用户,会有质量和可靠性等级的差别,同时也需要考虑到使用过程中制造商提供服务的便捷性;而用户对面向结果的PSS功能与性能要求最高,必须要保障提供的物理产品与服务在运行过程中的故障率最低,确保用户生产及使用PSS时的无故障性与服务体验。因此,需要针对不同类型PSS设置不同的配置约束目标。

面向大规模个性化PSS的模块设计实际上是一个以个性化服务方案层为主,与模块配置提供层为次的主从迭代过程。图7描述了面向大规模个性化的PSS主从关联模块设计决策过程。基于个性化推荐的结果,首先根据客户需求进行面向服务的配置,主要有面向产品的PSS、面向功能和面向结果的PSS,以个性化体验和满意度最大化为考察标准,选择一种服务方案。在此基础上,基于已有的个性化服务方案进行模块配置提供层的配置与设计,即通过物理模块、服务模块或者集成服务的物理模块进行组合、个性化模块的设计来实现优化服务方案,确保服务商的利益。但是模块配置提供层的配置与设计结果影响了个性化服务方案的用户满意度和体验,因此个性化服务方案又需要基于模块配置提供层的结果对服务方案进行适当的调整。PSS模块设计的决策过程具有以下特点: ①参与个性化设计决策的主体是客户和服务商,且两者具有不同的决策目标; ②客户首先基于用户体验和个性化最大化确定PSS服务方案,服务商基于个性化服务方案确定PSS的模块配置与设计方案,因此PSS配置设计过程是一个以客户为主者,企业为从者的决策过程; ③个性化服务方案的决策结果对模块配置提供方案有影响,同样地模块配置提供方案也会影响个性化服务方案满意度的达成,这种相互耦合、相互关联使得PSS个性化设计是在服务方案和实现方案间反复迭代的过程。

4.4 模块化服务链供应配置方法

模块化服务链供应配置是基于服务平台开展的优化设计,但服务平台中的PSS实例结构树来源于产品平台。PSS实例结构树是根据用户需求,在产品平台上配置出来的客户需要的个性化产品与服务结构。因此,服务链的运行与PSS的产品实例结构密切相关。模块化的服务链设计有利于服务供应链的优化与创新,在共同的设计规则之下,各模块相互作用,满足用户的个性化需求与服务体验。常见的典型服务链有投递运输服务链、施工安装服务链、MRO服务链、运行监控服务链等。对于面向使用的PSS和面向结果的PSS,其服务链更侧重于服务过程体验,即以过程型服务模块为主。过程如下:

( 1)分析服务链模块类别,完成模块类别划分。在模块化服务链中,首先根据用户的需求启动服务任务。然后,根据服务模块划分方法,将服务任务划分为若干子模块。针对这些子模块类别以及模块间的约束规则,从实例库中选择符合用户满意度的模块,寻找到每个子模块的实例。这些实例就形成了一系列模块化服务链方案。形成服务链方案的第一步是对服务链配置的模块类别进行划分,可将其划分为基本模块、可选模块和个性化模块。

( 2)建立服务模块选择准则。传统供应链中的模块评价准则从单一的成本准则转向服务链中以质量、服务、准时交货、柔性、信息等多准则方向发展,模块决策模型也从单一的买方库存成本模型转向双方相互协调模型,客户与模块服务商的关系由敌对状态转变为友好协作的“战略伙伴”关系。在服务供应模块选择准则中,以服务价格、服· ·

务质量、服务交货期、服务商能力、可持续性等为综合目标。针对不同类型的PSS,这几种约束准则的权重系数不同,其中,可持续性准则体现在服务能否给客户提供附加值、模块的绿色度等。

( 3)服务链优化配置设计。服务链优化配置设计并不是实时执行和完成的,而是一个特定的时间段内动态完成服务模块的增加或修正。服务链优化配置设计过程是基于基本模块、可选模块和个性化模块的组合优化配置。通过采取适当的优化配置方法,理清服务模块之间的关联耦合关系,针对不同的客户,快速配置出能满足用户个性化需求的服务链解决方案。

( 4)个性化模块的再设计。情感认知设计是通过客户个体对生理唤起的评价和对环境感知而产生的,情感化设计核心主要在于引发用户认知愉悦从而为用户带来积极的情绪体验。在大规模个性化PSS设计过程中,可通过情感认知设计对部分个性化模块进行,如物理模块的包装、外观造型、色彩、材料和肌理等,服务模块的服务过程参数,增加服务过程用户个性化需求,使得配置后的模块尽可能满足部分客户的独特需求。

5 结语

本文对面向大规模个性化的PSS模块化设计基本特征与实现模式、模块化过程模型、系统方案设计方法、模块配置优化决策和模块化服务链供应配置方法等进行了系统的归纳总结,对于持续地推进产品服务系统设计、制造业服务化和大规模个性化设计具有一定的参考价值。

针对PSS大规模个性化研究,以下几个子方向将成为研究亮点: ①客户的个性化需求获取与个性化推荐技术。基于开放式的个性化配置平

台,可以根据客户的浏览习惯、消费习惯、使用情况、需求特征等进行个性化PSS方案的快速精准推荐。②面向大规模个性化的PSS模块化架构研究,该架构具有可变性和自适应性特征,以支持用户的个性化需求和不同类别PSS的模块化实现。③ PSS的研究延伸到服务供应链集成设计过程中, PSS的个性化提供在模块化服务链供应中得到充分发挥。

在未来的研究中,笔者将主要研究大规模个性化的PSS系统方案设计、模块配置优化决策和模块化服务链供应配置方法等,突破关键技术方法,完成信息系统开发。

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作者简介:李浩,男, 1981年生,副教授、博士。研究方向为智能制造服务、设计方法学、产品数据管理、数字孪生技术等。发表论文58篇。E⁃ mail:[email protected]

开放科学(资源服务)标识码(OSID) :

图6 再制造发动机生产过程Pareto图 Fig.6 The Pareto diagram for remanufactured engine production process

亟需新理论和技术的支撑,在此情况下,大规模个性化和3D打印等理念或技术应运而生 。 [ 7,1 1]

图3 PSS模块化系统的5个域映射过程 Fig.3 Five-domain mappings process of the modular PSS system

图5 面向大规模个性化的PSS模块划分过程Fig.5 Module partition process of PSS oriented to mass personalization

图6 个性化PSS优化配置设计过程Fig.6 Configuration design process of personalized PSS

图7 用户个性化体验与服务商模块配置优化主从决策过程 Fig.7 Bi-level decision-making process of module configuration optimization between customer personalized experience and service provider

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