基于产品服务系统的复杂产品设计(成人高考）
第一章 引言
1.1研究背景
在新世纪以来，随着商业科技的发展，制造业与服务也不断融合，同时伴随着市场竞争的家具，行业逐渐出现产能果实的现象，买方市场出现，供大于求，在这样的背景条件下，传统制造业发展陷入沼泽。同时传统制造业虽然面临挑战，但是新形式下，特别是互联网科技、大规模定制、计算机集成制造、规模化网络制造等新型制造业态和模式，也给传统制造也一次翻身机会，特别是服务型制造模式将会对传统制造也进行一次翻天覆地的革新。根据相关调查，制造业附加值在整个产品生命周期过程中价值增量较低，一般不超过5个百分点。所以外包公司应运而生。此时，提供服务为产品的公司开始向工业界进军，尝试从产品生命全周期过程中的某一环节或者全环节进行服务，因此，传统的制造业与服务提供企业之间界限越来越模糊。现在制造业更趋向于一个现代制造服务业。现代制造服务其内涵分为面向顾客服务的制造业以及面向企业服务的制造业所根据其需求所提供的服务。
产品服务系统概念的出现，是现代商业科技与机械设计不断融合的突破性成果。传统制造与机械设计主要侧重产品的物理属性，忽视了购买产品消费者使用产品不仅仅是获得产品的物理属性，而更多是产品所带来的利益与便利。产品服务系统概念的提出，就是将产品属性与服务本身与顾客需求相结合，实现效用最大化。产品服务系统涉及到制造业、产品服务业等其他相关服务研究产业和领域，与之相关利益攸关方在此基础上都会获得新的价值。
随着产品服务系统研究的深入，在此基础上，相关研究者对其进行了深入划分吗，一个全新的概念破茧而出，就是集成服务型产品概念。相关研究结论为，产品分广义产品和狭义产品，狭义产品就是通常所购买的产品，而广义产品则分为一般产品、服务和最高层级的集成服务型产品。本文选取的机械产品为研究对象，主要是将服务融合到机械产品中区，行车集成服务型产品。
1.2研究目的
基于产品服务系统的机械产品的设计才刚刚起步，所以对此进行研究具有极高的理论价值和实用价值，本文研究的几个方面将使得产品服务概念更有效的推行和实施。系统了解产品服务系统概念下的产品形式，该类型产品与传统一般产品之间的区别，在这个区别之间找寻物理产品与服务之间关系，找寻基础服务型产品的前置条件。产品设计运用集成设计理念，本文将用模块化方法对产品与服务进行整理融合。1.3研究内容
本文首先对制造服务、传统机械设计、产品服务系统、模块化设计等概念和理念进行了简要阐述，同时对国内外研究成果进行综述，对其研究成果和所存在问题进行分析。在此基础上对本文研究梳理新的思路和方法。本文主要是通过对服务与产品，特别是复杂产品之间的集成设计。本文主要分为产品与服务集成相关分析和研究；复杂机械产品模块化设计方法与原则；通过模块化方法对现有成熟的复杂机械产品进行重新集成设计。最后通过一个洗衣机的案例，对产品服务系统进行实例说明。1.4研究综述
从上世纪八九十年代开始，西方理论界开始对产品服务系统进行了系统研究。美国学者Goedkoop通过构建四个象限模式对产品进行分析，进而形成产品服务系统的概念。Shimomura通过建立域、流、情境、视觉四个模型对产品服务系统进行分解，在系统分解后研究得到顾客价值呈现方法，这个方法是借助计算机系统实现。Tim等在研究过程中通过对４家制造商的研究，指出产品服务化系统应用于传统制造商，主要是传统制造商为了应对不同于传统模式的生产经营环境，并提出了产品供应链呈现垂直集成发展趋势等研究成果。Gann则探讨了制造业在知识经济环境下的未来发展道路，并对服务意识增强的宏观表现、微观机理及存在方式等作了定性研究。国内的孙林岩和江志斌教授等人提出了将制造业与服务业相融合的新型制造模式—服务型制造，研究了服务型制造的意义和前景。宋高歌通过挖掘产品服务系统与资源节约的内在联系分析了产品服务系统的契约结构特征，给出产品服务系统特有的节约共享模式的参数特征、信息不对称情况下,产品服务系统不同产品服务广度和深度下的契约模式选择。张在房以顾客需求为出发点，研究了基于QFD 和配置化设计的产品服务系统的体系框架和决策方法。周文泳等研究了产品服务系统下的复杂机械产品再制造模式；姜杰等借助 TRIZ 等相关产品设计理论对 PSS的创新设计进行了研究。
1.5技术路线图
图1.1 技术路线图第二章 产品服务系统及机械产品设计
2.1产品服务系统
2.2.1定义及相互关系
在上世纪九十年代，学界首次出现产品服务系统一概念。美国学者Goedkoop通过构建四个象限模式对产品进行分析，进而形成产品服务系统的概念及其定义，后续研究学者在此基础上不断扩展和延伸。不同学者对产品服务系统所下定义相互之间有所区别。表2.1 产品服务系统定义汇总表
| 提出者 | 定义 |
| Goedkoop | 产品服务系统是一个由产品、服务、参与者网络和支持基础设施组成的系统，在进行产品服务系统设计时，要力求其在满足客户需求的同时，比传统商业模式对环境的影响更小。 |
| Hockerts |
产品服务系统是两者的结合，它需将产品服务的所有权在顾客和供应商之间分配，且其分配过程与 P SS 生命周期相互影响，相互配合。 |
| 朱琦琦 | 产品制造企业主导，通过把有形的产品与无形的服务进行结合达到在产品全生命周期内保障和提升其工作能力的系统解决方案，最终实现在经济和环境两方面的价值增值。 |
图2.1产品与服务相互关系图
产品服务系统其功能首先是用户可以不用或者减少购买物理产品进而能获得同等所需的功能和结果，其次是用户可以通过增加无形的服务进而减少对传统机械产品设计方式所带来的资源浪费和环境破坏。
2.2.2产品服务系统的分类
产品服务系统根据不同的分类方法可以有不同种分类，现在主流的分类，是将产品服务系统分为五大类。（1）产品导向型产品服务系统：产品提供者将产品提供给消费者，消费者使用产品效用本身，还享受相应的产品管理服务，例如卡索托化学公司提供的化学品管理服务业务，除去化学品本身的效用，还为消费者提供化学品采购、物流、保管等管理工作。
（2）服务导向型产品服务系统：该系统通过对产品和服务进行有效融合，最大限度上满足消费者需求，例如现在流行的摩拜单车，消费者只需要支付一定的费用，可以使用马路上的任何一处的自行车。
（3）集成导向型产品服务系统：该系统主要是通过生产者将产品提供给消费，同时生产者将与产品相关的产业链下游业务进行集成，该系统中需要生产者在产品设计和供应链方面做出相应改变。
（4）功效导向型产品服务系统：生产者将产品提供给消费，前提是生产者是根据消费者的需求而定制的个性化产品服务方案。
（5）使用导向型产品服务系统：顾客只需通过购买产品在一定时期内的使用权及相关服务满足自身的需求。该系统主要的区别点在于服务具有一定的时间效用。
表2.2产品服务系统分类及其区别表
| 类型 | 相互关系 | 比重 | 产品所有权 | 顾客满意 |
| 产品导向型 | 生产者-消费者 | 产品为主 | 消费者 | 有 |
| 服务导向型 | 生产者-消费者 | 服务为主 | 消费者 | 有 |
| 集成导向型 | 生产者-生产者 | -- | -- | -- |
| 功效导向型 | 生产者-消费者 | 服务为主 | 生产者 | 无 |
| 使用导向型 | 生产者-消费者 | 服务为主 | 生产者 | 有 |
2.2 机械产品设计概述
机械产品设计所经过的历史发展阶段，可以将其分为两个阶段，分别是传统设计阶段和现代设计阶段。传统设计阶段的设计主要是依靠工人在工作过程中所积累的工作经验，并利用相关数理方法和相关的设计原则开始设计，但是随着市场环境的变化，现在产品生命周期较以前并逐渐缩短，产品更新换代的速度大大快与从前，因此在经验基础上的传统设计方法逐渐被现代设计方法所取代。在全球一体化的今天，制造产业内部的竞争主要集中在复杂机械产品设计的较量，所以对复杂机械产品相关设计理念和方法的研究就变得十分有意义，现代设计方法是传统设计方法的革新和发展，因此设计理论和设计方法的研究和分类因其侧重点不同也呈现的结果有所不同，下表是对现代机械产品设计理论和方法的整理与归纳。
表2.3 现代机械产品设计要理论与方法分类表
| 设计理论 | 系统化设计理论、通用设计理论、发明问题解决理论、公理化设计理论 |
| 设计方法 | 协同设计、仿生设计、丙型设计、模块化设计、三次设计、有限元法、绿色设计、优化设计、可靠性设计、协同设计、面向 X 的设计（DFX）、反求工程设计、虚拟设计、稳健设计、动态设计、智能设计等 |
2.3复杂机械产品模块设计
模块化设计是现代设计方法的一种，主要是全方位分析消费者需求的前提下，在开发具有独立功能的产品模块，最后通过不同产品模块进行合成和组合成一个完整的产品族。从当下的模块化生产或者研究，模块化设计基本上遵循从零件再到部件再到产品三个层次，每一个层次都采用模块化划分与设计，等各个层级完成后集成最终产品，下图为产品物理模块的层级划分。图2.2 产品物理模块的层级划
复杂机械产品的模块化设计，首先要根据产品的结构功能部件进行结构模块划分，通过对不同部件之间的参数的相互关系进行分析，以此来决定部件与部件之间进行组合的法则；其次就是部件的下一级--零件级的模块化设计压实基于产品与部件的模块化设计结果，以此对零部件基型进行调整和设计，有时要做相应的变型设计。从本质上看，复杂机械产品是一个由若干零件、部件、装置，按一定规律和结构形式组成的具有特定功能的机械系统。复杂机械产品的模块化设计，首先要对产品进行模块化分类，分类方法就变得重要，常见的分类方法有，零部件分析法，最大最小法以及功能分析法。
以洗衣机为例说明模块化划分过程，如图 2.3 所示，对洗衣机进行功能分析后，得到洗衣机的产品级模块组成：控制部分、动力部分、支撑部分、进排水部分、传动部分和减震部分；对产品层模块再一次进行细化就可以得到部件级模块。
第三章 复杂机械产品与服务模块化集成设计
复杂机械产品与服务的集成设计方法是围绕产品服务系统所展开的研究重点本研究首先提出了用模块化方法实现产品与服务的集成设计，然后运用层次分析法构建了服务指标评价模型，为产品与服务集成设计方案的决策提供了理论方法。3.1复杂机械产品与服务的相关性分析
由于服务的无形性、易逝性等特点，利用传统的产品设计方法很难实现复杂机械产品与服务的集成，因此本文在对产品服务系统中的服务进行设计时，根据复杂机械产品和服务在 产品服务系统中的关系，把服务划分为产品相关性服务和产品无关性性服务。由于产品的物理模块划分可以分为产品层、部件层、零件层三个层次，为了能够更清楚的表示服务模块与产品模块的相关性，本文又把服务模块与物理模块的三个层次逐一进行映射，物理模块中是产品、部件和零件，服务模块中相应的有安装、技术、培训、保险、回收、运输、物流、金融、租赁、定制、备件供应、在线监测、维修回收、租赁、系统升级维修服务、再制造服务、监测服务、备品备件供应等。服务模块与物理模块产品层之间的映射关系见下表3.1。
图3.1 物理模块与服务模块之间的映射关系图
3.2复杂机械产品与服务集成设计方式
复杂机械产品与服务集成设计的方式有很多种，现在主流集成设计方式主要分为四大类，从产品与服务融合程度由低到高排列，最低的是一站式集成，其次是安心式集成，再次是灵活式集成，最高融合方式的多利益时集成。（1）一站式集成：产品与服务之间互补性较小，二者之间相互独立存在，主要侧重于产品的可达性，换言之就是购买方便。
（2）安心式集成：跟一站式集成相似，产品与服务之间互补性较小，二者相互依存的程度较低。
（3）灵活式集成：跟一站式集成和安心式集成雷同，二者存在状态相互独立，但是区别在于二者互补性较强，灵活组合将使得消费者效用最大化体现。
（4）多利益型：产品和服务具有互补性，相互依赖高，能提供给客户众多附加功能和利益。
3.3集成式复杂机械产品模块划分
由于产品模块具有产品层、部件层、零件层三个层次，因此要想实现服务模块与产品模块的集成设计，就需要将服务模块分别与产品层、部件层、零件层三个层次的物理模块依次进行映射，其分析流程如图 3.2 所示。集成式复杂机械产品模块设计过程如下图 3.2 所示，在图 3.2 中的物理模块 P1 对应的产品层的物理模块，是基于产品功能进行的模块划分；图 3.2 中的物理模块 P2 是与服务功能相关的物理模块，比如挖掘机的远程故障诊断服务需要传感器等物理模块的支撑才能实现，这就需要在产品设计阶段就考虑到服务模块对产品模块的影响。
图3.2 集成式复杂机械产品模块设计过程
由上图所知，集成式复杂机械产品模块设计过程主要包括物理模块的设计，服务基础上的物理模块设计以及纯服务模块设计三个部分。所以在对复杂机械产品模块划分时，需要采用层次性原理、相似性原理、可持续原理和系统工程原理。
3.4设计结构矩阵
随着设计理论的研究深入，理论界和设计界已经开始运用和完善设计结构矩阵，该方法在产品研发阶段和时间管理方面发挥了很好的效用。设计结构矩阵用 N*N 的矩阵形式，将系统各元素的相关性表示出来，主要分为静态设计结构矩阵和基于时间的设计结构矩阵，具体分类见下图。
服务模块的权重测评模型较为常见的主要采用层次分析法，该方法的测评不是本研究的重点，所以不再叙述。
第四章 案例分析--投币系统自动控制洗衣机
4.1 基于产品服务系统的复杂机械产品模块配
产品服务系统主要是在现有产品的基础上通过提供服务来实现产品功能辅助和代替功能，以此最大效用的满足消费者需求。以产品的基础物理功能为基础，以满足消费者最大需求为中心，将服务模块和产品模块进行集成化设计，这将打破原有的传统的机械产品生产销售流程，使得资源的优化。下面要分析的投币式洗衣机，这种产品就是集合产品与服务的复杂机械产品，消费者可以不用将洗衣机购买回家，到洗衣机服务定点，需要洗衣服务，投币即可实现洗衣，这将大大扩大洗衣机的使用效率和实现资源的优化配置。对于复杂机械产品，由于产品与服务的相关性，产品离不开服务，服务脱离不了产品服务是在物理产品的基础上才能提供和实现，服务属性的凸显也会对产品模块及产品模块的配置产生深层次的影响。因此，对于基于产品服务系统的复杂机械产品设计而言，物理产品与服务应该是并行设计的，但由于复杂机械产品是一个涉及到信号采集、数据处理、信息通讯、运动控制等相关技术的复杂系统，诸如挖掘机、洗衣机、航空发动机、打印机等典型复杂机械产品，如何才能真正实现服务与物理产品的融合设计是一个首先要解决的问题。
针对面向产品、应用和效用的产品服务系统的复杂机械产品模块配置，阐述了首先通过产品相关性服务与产品的集成设计得到集成服务型产品；再将其与产品无关性服务组合，最终实现基于产品服务系统的复杂机械产品的设计思路。
图4.1基于产品服务系统的复杂机械产品模块配置流程图
4.2 案例分析--投币洗衣机
投币洗衣机广泛存在于大学宿舍楼、酒店洗衣房以及其他住宿密集地区。该产品根据产品服务系统的分类，主要分为租赁式洗衣机和投币式洗衣机，其主要特点是只需投币就可使用，操作过程较为简单，并且无需定点人员看守，只需产品所有人定期对其进行钱币清点和对机器维护。下图为投币式洗衣机的产品设计分解图。图4.2投币洗衣机的产品设计分解图
