清華大學(xué)莫欣農(nóng)教授

熱水器的故事

    據(jù)世界經(jīng)理人2013年8月刊“讓制造業(yè)精益化”一文報(bào)道：就在一年半前，通用電氣原本在便宜中國工廠生產(chǎn)的熱水器搬回昂貴的美國工廠生產(chǎn)。戲劇性的結(jié)果發(fā)生了：美國生產(chǎn)的熱水器和中國之前生產(chǎn)的熱水器相比，材料成本降低了，人工成本降低了，質(zhì)量卻提高了，甚至能耗效率也提高了。更要命的是，這款產(chǎn)品的零售價(jià)比之前在中國生產(chǎn)的產(chǎn)品低了將近20%。

    為什么美國生產(chǎn)的熱水器能耗效率和質(zhì)量會(huì)提高？為什么成本高的美國工廠生產(chǎn)熱水器的材料成本、人工成本和價(jià)格反而低？這樣的二高三低說明了什么？未來中國制造業(yè)的核心競爭力表現(xiàn)在哪里？帶著這些問題，我和大家分享一下由CIMdata與e-works聯(lián)合主辦的“2013 CIMdata PLM國際認(rèn)證中國首屆高級(jí)研修班”的培訓(xùn)給我的啟示。

CIMdata認(rèn)證

    本次在華首次舉辦的這次PLM資質(zhì)認(rèn)證培訓(xùn)共安排了三天十二講的內(nèi)容。第一天主要是講解如何制定PLM系統(tǒng)策略、方案評(píng)估與選型；第二天課程有實(shí)施計(jì)劃監(jiān)控和持續(xù)改進(jìn)、PLM流程定制及測(cè)試、企業(yè)內(nèi)部PLM集成、PLM中配置管理的角色；第三天PLM高級(jí)課程包括PLM數(shù)據(jù)建模、產(chǎn)品族管理、需求管理等，最后還有培訓(xùn)的總結(jié)。今天我主要結(jié)合第三天的高級(jí)課程來解釋熱水器引發(fā)的思考。

    PLM數(shù)據(jù)建模

    數(shù)據(jù)建模是用來表達(dá)和訪問產(chǎn)品數(shù)據(jù)的抽象模型，目的是讓不同部門能夠相互理解受控和非受控的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，即設(shè)計(jì)部門、工藝部門、采購部門、服務(wù)部門都能理解和利用相關(guān)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)。Item可以翻譯成“條目”，也可以翻譯成“項(xiàng)”，本質(zhì)上是面向?qū)ο蠹夹g(shù)中的一類對(duì)象。項(xiàng)代表的實(shí)體、屬性、關(guān)系等三要素構(gòu)成了PLM數(shù)據(jù)模型。

    培訓(xùn)中講到了數(shù)據(jù)建模的方法、數(shù)據(jù)建模的步驟、數(shù)據(jù)模型的開發(fā)與擴(kuò)展、數(shù)據(jù)建模流程等內(nèi)容。我認(rèn)為最重要的是建立包括設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、采購數(shù)據(jù)、使用數(shù)據(jù)、維修數(shù)據(jù)等各種類型數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)，才是完整的PLM數(shù)據(jù)模型。

    產(chǎn)品全生命周期分為前期(BOL)、中期(MOL)和末期(MOL)。在產(chǎn)品生命的前期經(jīng)歷了4 個(gè)階段。第一個(gè)概念設(shè)計(jì)階段定義產(chǎn)品的功能，將用戶的需求分解為多層功能，并按功能節(jié)點(diǎn)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系形成產(chǎn)品功能BOM。第二個(gè)詳細(xì)設(shè)計(jì)階段按每項(xiàng)功能設(shè)計(jì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形成工程BOM，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可能關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)模型、工程圖紙、分析仿真、使用手冊(cè)、維修說明等數(shù)據(jù)。第三個(gè)制造準(zhǔn)備階段將可能采用的制造工藝、加工設(shè)備和相關(guān)的工具、資源等數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來，形成制造BOM。第四階段將實(shí)際制造有關(guān)的數(shù)據(jù)，包括產(chǎn)品序列、批次、供應(yīng)商、質(zhì)量等數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來，形成不同系列的成品BOM。第一批產(chǎn)品是A供應(yīng)商的數(shù)據(jù)，可能第二批就變成了B供應(yīng)商的數(shù)據(jù)。因此成品BOM中每個(gè)對(duì)象關(guān)聯(lián)的是供應(yīng)商、檢驗(yàn)/試驗(yàn)、質(zhì)量等數(shù)據(jù)。在產(chǎn)品生命前期的各種各樣的數(shù)據(jù)需要有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行管理，而且互相之間要保持一定的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

圖1 主動(dòng)服務(wù)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理模型

    依次類推，產(chǎn)品生命中期也有很多數(shù)據(jù)，包括使用過程中的監(jiān)控條例和保養(yǎng)規(guī)范等維修需求、備件計(jì)劃、維修工藝、故障記錄、匯總信息等數(shù)據(jù)。中期的這些數(shù)據(jù)之間要相互關(guān)聯(lián)，同時(shí)還要和前期的數(shù)據(jù)建立關(guān)聯(lián)關(guān)系。通常前期設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)中只有與使用維修相關(guān)的部分?jǐn)?shù)據(jù)才會(huì)與中期相關(guān)，如使用手冊(cè)、維修說明等。中期也有部分?jǐn)?shù)據(jù)是前期非常希望了解的，如產(chǎn)品實(shí)際使用性能、故障率、維修經(jīng)驗(yàn)等。為了將有限的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和大量的、長期的使用數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系落實(shí)下來，數(shù)據(jù)模型采用中性BOM作為橋梁，一方面把設(shè)計(jì)制造的知識(shí)關(guān)聯(lián)到中性BOM上，通過中性BOM與大量的實(shí)例BOM之間的關(guān)系把設(shè)計(jì)制造知識(shí)傳遞到實(shí)例BOM。另一方面通過中性BOM的關(guān)聯(lián)關(guān)系匯總實(shí)例BOM上的使用維修數(shù)據(jù)反饋到前期各種BOM上。同時(shí)，在產(chǎn)品生命末期利用中期積累的詳細(xì)記錄產(chǎn)品關(guān)鍵部件維修記錄和故障描述的履歷表來指導(dǎo)拆解和回收。這樣的PLM數(shù)據(jù)模型保證不同階段的數(shù)據(jù)由不同的BOM結(jié)構(gòu)進(jìn)行管理。通過不同BOM之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系實(shí)現(xiàn)不同階段的人員都能順著BOM之間的關(guān)系找到產(chǎn)品生命周期不同階段的數(shù)據(jù)。

    在產(chǎn)品全生命周期整個(gè)過程中還存在變更管理模型，包括功能、設(shè)計(jì)、零件、成品、維修等階段的產(chǎn)品數(shù)據(jù)都會(huì)存在發(fā)布前的多次調(diào)整，發(fā)布后的多次改變，這種調(diào)整和改變都需要有相應(yīng)的變更規(guī)則(如圖2)。

圖2 產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型示意圖

    圖2就是二十多年前國際先進(jìn)的PDM/PLM產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型變更管理示意圖，它能夠描述任何復(fù)雜的產(chǎn)品數(shù)據(jù)及其變更歷史。有了這個(gè)完整數(shù)據(jù)模型，企業(yè)就可以建立產(chǎn)品族譜，即把系列的產(chǎn)品用統(tǒng)一的BOM進(jìn)行有效管理。這次培訓(xùn)指出建立PLM數(shù)據(jù)模型是管理的基本目標(biāo)。但目前來說，國際上真正能做到的企業(yè)并不是很普遍，除了少數(shù)的先進(jìn)企業(yè)。

    產(chǎn)品族管理

    產(chǎn)品族管理是PLM的精髓部分。但目前很多PLM系統(tǒng)還未觸及到產(chǎn)品族管理。產(chǎn)品族管理包括產(chǎn)品族、項(xiàng)目族、大項(xiàng)目/項(xiàng)目，有效資源分配等，支持企業(yè)達(dá)到產(chǎn)品創(chuàng)新的目標(biāo)。針對(duì)這一部分，培訓(xùn)課程講解了產(chǎn)品族管理的基本功能，從哪里著手，什么時(shí)機(jī)適合開展等內(nèi)容。

    我簡單畫了一個(gè)統(tǒng)一BOM（GBOM）（也稱超級(jí)BOM）圖，包括產(chǎn)品族和全部零部件，根據(jù)不同情況組合成三種產(chǎn)品。通過梳理可以發(fā)現(xiàn)，這三個(gè)產(chǎn)品有一部分結(jié)構(gòu)是通用的，這樣就形成了一個(gè)通用的產(chǎn)品族平臺(tái)BOM，剩下部分就可通過不同約束條件來進(jìn)行配置。圖中產(chǎn)品族有日期和價(jià)格等二個(gè)配置變量，有C11、C12、C21等三個(gè)部件是配置件，有P31、P32、P33、PE1、P21、R1等六個(gè)選配零件。通過日期和價(jià)格組合的三條配置規(guī)則，配制出產(chǎn)品一、產(chǎn)品二、產(chǎn)品三分別由部分不同零部件組成的產(chǎn)品BOM。如圖是一種豎形的產(chǎn)品配置管理規(guī)則。

圖3 產(chǎn)品配置規(guī)則實(shí)例

    產(chǎn)品配置的規(guī)則需要根據(jù)企業(yè)的實(shí)際情況，原理都是按照某種特殊條件，選擇某些有效的規(guī)則進(jìn)行不同的產(chǎn)品組合。產(chǎn)品配置管理是產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理的靈魂，是產(chǎn)品管理的最高境界。

    需求管理

    目前很多企業(yè)已經(jīng)把注意力往產(chǎn)品生命周期的前期延伸。產(chǎn)品能不能占領(lǐng)市場(chǎng)，很大程度上決定于企業(yè)的產(chǎn)品能否滿足客戶多樣化的需求。但是如何管理用戶的需求，即如何獲取需求、分析需求、描述需求、確認(rèn)與驗(yàn)證需求，以及管理需求的變更等都是需求管理的核心。

    在培訓(xùn)班上，CIMdata總結(jié)了需求管理的6大要點(diǎn)：產(chǎn)品生命周期應(yīng)由需求驅(qū)動(dòng)，可追溯性形成閉環(huán)；需求的定義和改進(jìn)需要反復(fù)迭代的過程；需求記錄下不同成熟度的數(shù)據(jù)構(gòu)成多級(jí)結(jié)構(gòu)；需求管理與OA及其他工具集成起來共享數(shù)據(jù)；PLM支持需求管理，供應(yīng)商已經(jīng)擴(kuò)展這些功能；需求管理實(shí)施需要考慮人、流程和工具。

    需求管理的基本目標(biāo)是要達(dá)到知其然，知其所以然的境界。即需要準(zhǔn)確地了解各種需求，例如法律法規(guī)要求、市場(chǎng)用戶要求、技術(shù)協(xié)調(diào)要求、制造條件要求、測(cè)試驗(yàn)證要求、環(huán)境保護(hù)要求、維修服務(wù)要求、其它特殊要求等等。還應(yīng)根據(jù)需求提出合理的解決方案，包括對(duì)性能指標(biāo)、開發(fā)成本、時(shí)間進(jìn)度、風(fēng)險(xiǎn)對(duì)策、市場(chǎng)競爭等方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。并能全程跟蹤各項(xiàng)指標(biāo)的變更和落實(shí)情況，包括設(shè)計(jì)制造過程、使用維修過程的跟蹤和指導(dǎo)。

    下面通過一個(gè)簡單的水泵房設(shè)計(jì)案例來講解需求管理的基本原理。需求管理核心技術(shù)就是將設(shè)計(jì)任務(wù)書進(jìn)行分解與匯總。

圖4 水泵房任務(wù)書的分解與匯總

    水泵房包含多個(gè)功能部門，需要撰寫總體設(shè)計(jì)任務(wù)書、電氣設(shè)計(jì)任務(wù)書、管路設(shè)計(jì)任務(wù)書等。原來編寫設(shè)計(jì)任務(wù)書時(shí)不僅各項(xiàng)功能之間關(guān)聯(lián)關(guān)系不易把握，而且存在一處變更后需要多處修改。需求管理系統(tǒng)先將總體設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)行分解，再通過一定的關(guān)聯(lián)將分散的需求組合起來形成特定的設(shè)計(jì)任務(wù)書。當(dāng)需求發(fā)生變化后，直接通過關(guān)聯(lián)關(guān)系同步到所涉及到的需求對(duì)象。例如自控系統(tǒng)需要一個(gè)指示燈，電氣系統(tǒng)就要配備相應(yīng)的線路，管路系統(tǒng)也要提供對(duì)應(yīng)的電線管道，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)則要在墻上指定位置設(shè)置安裝孔。一旦指示燈發(fā)生變化，相應(yīng)的線、管、孔也要隨之變化。綜合起來需求管理關(guān)鍵是建立需求對(duì)象之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

    PLM熱門技術(shù)

    CIMdata PLM培訓(xùn)時(shí)總結(jié)當(dāng)前PLM領(lǐng)域比較熱門的兩個(gè)技術(shù)。

    (1)通過加強(qiáng)需求管理和多方案綜合評(píng)價(jià)，為企業(yè)規(guī)劃出具有長期競爭能力的產(chǎn)品族，按照市場(chǎng)競爭的態(tài)勢(shì)，在合適的時(shí)候推出效益最大化的系列產(chǎn)品，占據(jù)市場(chǎng)高峰。

    (2)產(chǎn)品族管理將市場(chǎng)分析、企業(yè)戰(zhàn)略和財(cái)務(wù)管理等整合到產(chǎn)品生命周期管理流程，對(duì)于很多PLM供應(yīng)商來說還是一個(gè)未廣泛觸及的領(lǐng)域。

    啟示

    通過以上的分析，我們?cè)賮砜丛谘葜v開始時(shí)所提到的問題，CIMdata PLM資質(zhì)認(rèn)證培訓(xùn)給我的啟示是：

    (1)為什么美國生產(chǎn)的熱水器能耗效率會(huì)提高？答：總體設(shè)計(jì)水平高

    (2)為什么成本高的美國工廠生產(chǎn)熱水器的價(jià)格反而低？答：產(chǎn)品族管理水平高

    (3)未來中國制造業(yè)的核心競爭力表現(xiàn)在哪里？答：走制造服務(wù)的新路

開拓制造服務(wù)

    制造服務(wù)是我近年來一直研究的方向。我經(jīng)常舉的一個(gè)例子就是風(fēng)力發(fā)電廠通過物聯(lián)網(wǎng)大幅度降低運(yùn)行信息共享的成本�，F(xiàn)在很多風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)制造廠商已經(jīng)開始研究這個(gè)軟件，如何根據(jù)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行故障預(yù)測(cè)和提供最及時(shí)的維修保障服務(wù)。

圖5 物聯(lián)網(wǎng)促使產(chǎn)品運(yùn)行成本低信息共享

    另一個(gè)例子是三一重工全球客戶門戶。三一有8萬多臺(tái)工程機(jī)械分布在全國各地。每臺(tái)工程機(jī)械每隔10秒鐘到2個(gè)小時(shí)將實(shí)時(shí)運(yùn)行情況發(fā)送給三一總部的服務(wù)中心。服務(wù)中心可通過編號(hào)和GPS定位知道每臺(tái)工程機(jī)械的位置和運(yùn)行狀態(tài)。一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，輸入查找半徑就可以找到離出現(xiàn)異常情況的工程機(jī)械最近的服務(wù)車，通過電話、短信、郵件等方式通知服務(wù)車迅速趕往現(xiàn)場(chǎng)，及時(shí)提供維修服務(wù)，真正做到主動(dòng)維修。

圖6 三一集團(tuán)全球客戶門戶

    面向服務(wù)的維修制造活動(dòng)是新型制造運(yùn)行模式，具有以下特點(diǎn)：

    ●產(chǎn)品智能化：

    計(jì)算機(jī)能夠根據(jù)產(chǎn)品運(yùn)行實(shí)際情況，用最佳的方式控制產(chǎn)品的運(yùn)行，滿足人類的最大需求。

    ●監(jiān)控實(shí)時(shí)化：

    廉價(jià)的信息傳遞技術(shù)使得產(chǎn)品運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控失去了距離和空間的約束。掌握產(chǎn)品核心技術(shù)的開發(fā)商利用遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)，實(shí)時(shí)掌握產(chǎn)品的運(yùn)行狀態(tài)，不斷改進(jìn)產(chǎn)品的質(zhì)量，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)未來創(chuàng)新的發(fā)展方向。

    ●服務(wù)主動(dòng)化：

    制造商利用自身的優(yōu)勢(shì)，通過狀態(tài)監(jiān)控，為產(chǎn)品提供及時(shí)的維修、服務(wù)和升級(jí)，不僅創(chuàng)造新的利潤增長點(diǎn)，同時(shí)也是綠色制造的必然趨勢(shì)。

圖7 面向服務(wù)的維修制造活動(dòng)

    根據(jù)清華大學(xué)莫欣農(nóng)教授在2013第九屆中國制造業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新數(shù)字化國際峰會(huì)的發(fā)言整理而成，已經(jīng)本人確認(rèn)！

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