賴榮燊,侯 亮,林文廣,吳永明
(1.廈門理工學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院,福建 廈門 361024;2.廈門大學(xué)航空航天學(xué)院,福建 廈門 361102;3.貴州大學(xué)公共大數(shù)據(jù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,貴州 貴陽(yáng) 550003)
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)廣泛普及,客戶需求的日益多樣化和個(gè)性化迫使企業(yè)需要應(yīng)對(duì)更為嚴(yán)峻的競(jìng)爭(zhēng)形勢(shì).大批量定制能以近似大批量生產(chǎn)的成本和效率提供定制產(chǎn)品或服務(wù),以滿足客戶個(gè)性化需求,已成為當(dāng)前主流生產(chǎn)模式[1].作為實(shí)現(xiàn)大批量定制的關(guān)鍵技術(shù)之一,基于平臺(tái)的產(chǎn)品族開發(fā)策略在越來(lái)越多制造企業(yè)中獲得成功實(shí)踐[2].隨著客戶環(huán)保意識(shí)不斷增強(qiáng)和環(huán)保法規(guī)日益嚴(yán)格,產(chǎn)品的綠色性能對(duì)客戶滿意度和企業(yè)可持續(xù)競(jìng)爭(zhēng)力具有重要影響[3].面向客戶定制需求的綠色產(chǎn)品配置設(shè)計(jì)的核心問題為:通過諸多約束條件下的功能模塊實(shí)例選擇,達(dá)到提高定制產(chǎn)品的綠色性能和企業(yè)一定時(shí)期內(nèi)的經(jīng)濟(jì)效益的目的.
國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)綠色產(chǎn)品族配置設(shè)計(jì)開展了廣泛研究,如張雷等[4-7]基于產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)單元的綠色性能量化分析,建立綠色屬性與模塊功能實(shí)例之間的映射關(guān)系,以優(yōu)化可配置產(chǎn)品的綠色性能或客戶對(duì)綠色產(chǎn)品的滿意度為目標(biāo),提出面向綠色設(shè)計(jì)的產(chǎn)品優(yōu)化配置設(shè)計(jì)方法;Kim等[8-9]綜合考慮環(huán)境影響、企業(yè)利潤(rùn)和客戶需求用以識(shí)別可持續(xù)產(chǎn)品平臺(tái),提出整合可持續(xù)性能和平臺(tái)策略的可持續(xù)產(chǎn)品族配置設(shè)計(jì)方法;Wang等[10]面向產(chǎn)品族生命周期提出綜合考慮成本和溫室氣體排放的產(chǎn)品族設(shè)計(jì)方法;Yang等[11]綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素和環(huán)境相關(guān)指標(biāo)(如碳排放),提出基于模塊的產(chǎn)品配置設(shè)計(jì)方法.其中在涉及綠色性能評(píng)估方面,許多學(xué)者關(guān)注產(chǎn)品生命周期溫室氣體排放量的核算,如鮑宏等[12]提出面向低碳設(shè)計(jì)的產(chǎn)品多層次碳足跡分析方法;Song等[13]將零部件溫室氣體排放數(shù)據(jù)嵌入產(chǎn)品物料清單,提出低碳產(chǎn)品設(shè)計(jì)系統(tǒng),輔助設(shè)計(jì)人員快速計(jì)算不同產(chǎn)品方案的溫室氣體排放;以此為基礎(chǔ),Kuo[14]提出支持產(chǎn)品低碳設(shè)計(jì)的協(xié)同框架,實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品生命周期碳足跡數(shù)據(jù)的及時(shí)收集與核算.也有不少學(xué)者通過構(gòu)建綠色性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,并采用層次分析法和專家打分法等量化計(jì)算產(chǎn)品的綠色性能,如:魏巍等[15]提出從環(huán)境污染和資源消耗兩個(gè)方面評(píng)價(jià)產(chǎn)品綠色性能;王曉偉等[16]從資源消耗、生態(tài)影響與人體健康影響等方面評(píng)價(jià)機(jī)電產(chǎn)品環(huán)境影響;Tian等[17]從環(huán)境屬性、能量屬性、資源屬性、經(jīng)濟(jì)屬性等維度構(gòu)建冰箱產(chǎn)品綠色性能評(píng)估層次結(jié)構(gòu)模型;張城等[18]從拆卸性能、回收性能、材料環(huán)境性能、制造環(huán)境性能和結(jié)構(gòu)優(yōu)化度等方面構(gòu)建產(chǎn)品零部件環(huán)境性能優(yōu)化潛力評(píng)價(jià)體系.
通過文獻(xiàn)研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)前綠色產(chǎn)品族配置設(shè)計(jì)研究雖然大多兼顧企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和綠色性能兩大優(yōu)化目標(biāo),但尚未考慮特定時(shí)期內(nèi)模塊實(shí)例或零部件需求量對(duì)面向個(gè)性化定制需求的產(chǎn)品族配置方案的通用性和總成本的影響,無(wú)法有效指導(dǎo)定制產(chǎn)品定價(jià)和合理選擇最優(yōu)配置方案.此外,針對(duì)產(chǎn)品族模塊實(shí)例綠色性能評(píng)價(jià)方面的研究相對(duì)較少.針對(duì)以上問題,本文在課題組此前關(guān)于模塊實(shí)例綠色性能評(píng)價(jià)[19]和模塊實(shí)例通用性成本效應(yīng)[2]研究的基礎(chǔ)上,提出綜合考慮模塊實(shí)例綠色性能與通用性成本的產(chǎn)品族配置設(shè)計(jì)方法.
面向客戶個(gè)性化定制需求,制造企業(yè)需要基于產(chǎn)品平臺(tái)快速開展配置設(shè)計(jì),同時(shí)考慮模塊實(shí)例選擇對(duì)綠色性能和企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的綜合影響,并根據(jù)綜合績(jī)效選擇最優(yōu)的配置方案.為此,本文構(gòu)建綜合考慮綠色性能與通用性成本的產(chǎn)品族配置設(shè)計(jì)方法系統(tǒng)框架,如圖1所示.
圖1 配置方案系統(tǒng)框架Fig.1 Systematic framework of configuration scheme
首先,面向產(chǎn)品族全生命周期,遵循技術(shù)先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)合理性和環(huán)境協(xié)調(diào)性準(zhǔn)則,綜合考慮模塊實(shí)例的設(shè)計(jì)性能、經(jīng)濟(jì)性能、環(huán)境性能、回收性能、拆卸性能和包裝性能,構(gòu)建模塊實(shí)例綠色性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,綜合應(yīng)用模糊層次分析法(FAHP)和專家打分法量化模塊實(shí)例的綠色性能.
其次,結(jié)合企業(yè)現(xiàn)有典型產(chǎn)品變型、客戶個(gè)性化需求以及模塊實(shí)例采購(gòu)與制造等相關(guān)數(shù)據(jù),根據(jù)模塊實(shí)例的不同來(lái)源,考慮自制模塊學(xué)習(xí)效應(yīng)和外購(gòu)模塊規(guī)模效應(yīng),量化分析模塊實(shí)例通用性對(duì)模塊實(shí)例單位成本、產(chǎn)品族總成本以及企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的影響.
最后,以定制產(chǎn)品綠色性能和企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)化為目標(biāo),以模塊實(shí)例選擇方案為變量,綜合考慮價(jià)格約束、系統(tǒng)約束、配置約束、需求約束和綠色性能約束等相關(guān)條件,應(yīng)用智能優(yōu)化算法獲得帕累托最優(yōu)方案集,并結(jié)合企業(yè)經(jīng)營(yíng)策略選擇最優(yōu)配置方案.
基于文獻(xiàn)[19]所提出的模塊實(shí)例綠色性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(圖2),簡(jiǎn)述量化評(píng)估過程如下:
圖2 模塊實(shí)例綠色性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[19]Fig.2 Green performance evaluation system for module instance[19]
1) 應(yīng)用FAHP計(jì)算各個(gè)指標(biāo)相對(duì)于對(duì)應(yīng)準(zhǔn)則的權(quán)重以及各個(gè)準(zhǔn)則相對(duì)于目標(biāo)層的權(quán)重,進(jìn)而得到所有指標(biāo)相對(duì)目標(biāo)層的權(quán)重.
2) 對(duì)于專家打分法,考慮到單個(gè)專家的主觀性太強(qiáng),因此取多位專家打分的平均值.通過對(duì)各個(gè)指標(biāo)的深入分析與模糊量化(利用模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)理論中的優(yōu)、較優(yōu)、中、較差、差表示,相對(duì)值衡量分別為9,7,5,3,1)建立產(chǎn)品族模塊實(shí)例綠色性能評(píng)價(jià)表,當(dāng)某個(gè)指標(biāo)的分值較大時(shí),則表示模塊實(shí)例在該方面具有較優(yōu)的綠色性能.
3) 通過加權(quán)法計(jì)算各個(gè)模塊實(shí)例綠色性能的綜合評(píng)價(jià)值,評(píng)價(jià)值越低則表明其綠色性能越差.
產(chǎn)品族通用性可綜合反映功能模塊在產(chǎn)品族各種產(chǎn)品變型間的共享情況,提高通用性可以有效減少模塊種類并增加通用模塊采購(gòu)量或生產(chǎn)量,降低企業(yè)管理難度和制造成本等.根據(jù)模塊來(lái)源,通用性成本重點(diǎn)考慮模塊通用所致的自制模塊學(xué)習(xí)效應(yīng)和外購(gòu)模塊規(guī)模效應(yīng)[2],有利于精確核算產(chǎn)品族總成本和企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益.
對(duì)于外購(gòu)模塊實(shí)例而言,共享外購(gòu)模塊實(shí)例將使其采購(gòu)量增加,企業(yè)可能獲得更高的折扣,降低單位采購(gòu)成本,即規(guī)模效應(yīng).通常,當(dāng)采購(gòu)量小于Q1時(shí),折扣率為D1;當(dāng)采購(gòu)量在[Q1,Q2]范圍內(nèi)時(shí),折扣率為D2;當(dāng)采購(gòu)量大于Q2時(shí),折扣率為D3,即折扣率與采購(gòu)量之間滿足典型的線性分段函數(shù)關(guān)系:D=f(Q),其中Q表示采購(gòu)量.當(dāng)然,針對(duì)不同企業(yè)或不同模塊實(shí)例,折扣率與采購(gòu)量之間的關(guān)系存在差異.
針對(duì)企業(yè)經(jīng)濟(jì)性評(píng)估,本文將其簡(jiǎn)化為“滿足客戶定制需求前提下,實(shí)現(xiàn)企業(yè)特定時(shí)期內(nèi)產(chǎn)品族總成本最小化”問題,即基于企業(yè)產(chǎn)品族實(shí)施階段某一特定時(shí)期內(nèi)典型產(chǎn)品變型的配置方案和需求量、隨機(jī)訂單的需求量等數(shù)據(jù),通過優(yōu)化隨機(jī)訂單配置方案以實(shí)現(xiàn)該時(shí)期內(nèi)產(chǎn)品族總成本最小化目標(biāo)[2].
1.4.1 配置模型與定義
定義1δij表示模塊實(shí)例Fij在產(chǎn)品變型中存在性的二元決策變量,若Fij包含于某一產(chǎn)品變型中,則δij=1,否則δij=0.因此每種產(chǎn)品變型可用配置向量δ=(δi)=(δ11,δ12,…,δ1N1,δ21,δ22,…,δ2N2,…,δI1,δI2,…,δINI)表示.
定義2Qij表示模塊實(shí)例Fij的總需求量,所有模塊實(shí)例的總需求量可用向量Q=(Qi)=(Q11,Q12,…,Q1N1,Q21,Q22,…,Q2N2,…,QI1,QI2,…,QINI)表示.
定義3cij表示模塊實(shí)例Fij的單位成本,所有模塊實(shí)例的單位成本可用向量c=(ci)=(c11,c12,…,c1N1,c21,c22,…,c2N2,…,cI1,cI2,…,cINI)表示.
1.4.2 目標(biāo)函數(shù)、約束條件與求解方法
結(jié)合所有模塊實(shí)例的綠色性能向量G以及面向客戶定制需求的配置向量δc,構(gòu)建定制產(chǎn)品綠色性能最優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)如式(1)所示:
maxA1=max(G·δc).
(1)
綜合考慮產(chǎn)品族動(dòng)態(tài)實(shí)施階段某一時(shí)期內(nèi)典型產(chǎn)品變型市場(chǎng)需求、客戶定制需求、定制產(chǎn)品模塊實(shí)例選擇、外購(gòu)模塊實(shí)例規(guī)模效應(yīng)與自制模塊實(shí)例學(xué)習(xí)效應(yīng)等,構(gòu)建產(chǎn)品族總成本最小化目標(biāo)函數(shù)如式(2)所示:
minA2=min(Q·c).
(2)
上述目標(biāo)函數(shù)應(yīng)滿足以下約束條件:
1) 價(jià)格約束,即面向定制需求的配置產(chǎn)品價(jià)格Pc低于客戶所能承受的最高價(jià)格Pmax,如式(3)所示.
Pc=(1+φ)c·(Qc×δc)≤Pmax,
(3)
其中φ表示企業(yè)針對(duì)該定制產(chǎn)品設(shè)定的利潤(rùn)率.
2) 系統(tǒng)約束,即根據(jù)模塊類型[20],從必選模塊中選擇一個(gè)模塊實(shí)例,從可選模塊中最多選擇一個(gè)模塊實(shí)例.
對(duì)于必選模塊:
(4)
對(duì)于可選模塊:
(5)
3) 配置約束,即模塊實(shí)例間相容或互斥關(guān)系規(guī)則.如“模塊實(shí)例Fu v與Fw x必須同時(shí)選擇”可表示為δu v×δwx=1;如“不可同時(shí)選擇模塊實(shí)例Fu v與Fw x”,可表示為δu v×δw x=0.
4) 客戶需求約束,即根據(jù)特定客戶需求和需求-功能-實(shí)例映射關(guān)系,確定功能模塊的可選實(shí)例范圍,如“模塊實(shí)例Fyz顯然不能滿足客戶性能要求”,可表示為δyz=0.
5) 綠色約束,即模塊實(shí)例的綠色性能不低于特定值GTI,如式(6)所示,或定制產(chǎn)品的綜合綠色性能不低于特定值GTP,如式(7)所示.
Gi≥GTI,(i=1,2,…,I),
(6)
G·δ≥GTP.
(7)
應(yīng)用遺傳算法[2]對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化:采用實(shí)數(shù)編碼方式,染色體長(zhǎng)度為N,每一個(gè)基因?qū)?yīng)一個(gè)模塊實(shí)例,與配置向量相對(duì)應(yīng);基因取值為“1”或“0”,其中,“1”表示該產(chǎn)品變型選擇對(duì)應(yīng)的模塊實(shí)例,“0”表示該產(chǎn)品變型未選擇對(duì)應(yīng)的模塊實(shí)例,這種編碼方式能夠保證每一個(gè)體均滿足配置模型中的系統(tǒng)約束.
(8)
(9)
應(yīng)用加權(quán)和的方法設(shè)定配置設(shè)計(jì)優(yōu)化總目標(biāo)如式(10)所示:
C=θ1B1+θ2B2,
(10)
其中,θ1+θ2=1,且θ1與θ2取值由企業(yè)經(jīng)營(yíng)策略決定,若企業(yè)側(cè)重于滿足客戶綠色性能要求,可取θ1≥0.5,否則θ1≤0.5.
為了便于比較,采用文獻(xiàn)[2,11]中的電動(dòng)剪刀產(chǎn)品族作為案例驗(yàn)證方法的可行性與有效性.電動(dòng)剪刀產(chǎn)品族主要由電池模塊F1、電控模塊F2、電機(jī)模塊F3、傳動(dòng)模塊F4、刀刃模塊F5和外殼模塊F66大模塊組成,其中,電池、電控、電機(jī)、傳動(dòng)和刀刃模塊為外購(gòu)件,外殼模塊為自制件.該企業(yè)自2015年以來(lái)迅速發(fā)展,電動(dòng)剪刀產(chǎn)品族的年銷量從2萬(wàn)件左右增長(zhǎng)到10萬(wàn)件左右,電池、電控、電機(jī)、傳動(dòng)、刀刃、外殼模塊的實(shí)例數(shù)量分別為4(F11、F12、F13、F14)、4(F21、F22、F23、F24)、3(F31、F32、F33)、3(F41、F42、F43)、3(F51、F52、F53)、3(F61、F62、F63).
文獻(xiàn)[19]已從功能模塊層次計(jì)算各個(gè)功能模塊的綠色性能指標(biāo),經(jīng)與企業(yè)多位設(shè)計(jì)工程師和技術(shù)管理人員共同討論,針對(duì)各個(gè)指標(biāo)對(duì)模塊實(shí)例進(jìn)行深入細(xì)致的比較,根據(jù)全生命周期原則并結(jié)合評(píng)價(jià)指標(biāo)具體涵義,采用多專家打分求平均值的方法得到各個(gè)模塊實(shí)例的評(píng)價(jià)指標(biāo)值,再通過加權(quán)和的方法計(jì)算所有模塊實(shí)例的綠色性能指標(biāo)值如下,即:
G=(5.55,5.28,5.01,4.89,5.42,5.15,5.00,
4.72,5.44,5.24,5.01,4.57,3.93,3.70,
7.25,7.02,6.79,3.57,3.11,2.88).
企業(yè)目前有6款典型產(chǎn)品變型的市場(chǎng)需求相對(duì)穩(wěn)定,相應(yīng)的模塊實(shí)例選擇與配置向量如表1所示.基于歷史銷售數(shù)據(jù)及市場(chǎng)預(yù)測(cè)得到所研究時(shí)間段內(nèi)的此6種典型產(chǎn)品變型的市場(chǎng)需求量分別為1 000,2 500,1 500,2 500,1 600,2 000,計(jì)算得到典型產(chǎn)品變型各模塊實(shí)例的需求量向量R=(3 000,1 200,3 100,1 000,3 000,1 200,3 100,1 000,2 200,3 500,2 600,2 200,3 500,2 600,3 000,2 800,2500,4 200,1 500,2 600).
表1 6種典型產(chǎn)品變型Tab.1 6 typical product variants
綜合考察企業(yè)內(nèi)部自制模塊生產(chǎn)過程以及外購(gòu)模塊采購(gòu)環(huán)節(jié),得到各種模塊實(shí)例的首單元成本向量:
c0=(320,300,270,250,420,400,380,360,250,
225,200,250,225,200,50,40,30,40,35,30).
確定兩種自制模塊實(shí)例的學(xué)習(xí)率為0.95;確定電池、電控、電機(jī)、傳動(dòng)和刀刃模塊的采購(gòu)規(guī)模效應(yīng)如下式所示,即當(dāng)采購(gòu)量小于1 000時(shí),折扣率為0;當(dāng)采購(gòu)量在[1 000,3 000)范圍內(nèi)時(shí),折扣率為0.05;當(dāng)采購(gòu)量在[3 000,5 000)范圍內(nèi)時(shí),折扣率為0.10;當(dāng)采購(gòu)量不小于5 000時(shí),折扣率為0.15,即折扣率與采購(gòu)量之間滿足以下線性分段函數(shù)關(guān)系如式(11)所示:
(11)
某客戶針對(duì)電動(dòng)剪刀提出的個(gè)性化需求信息包括:一次充電后能夠連續(xù)工作8 h以上;刀口剪切直徑不低于28 mm;刀片耐磨;單位產(chǎn)品價(jià)格不超過1 700 元,需求量為2 000件,綠色性能中等以上.將客戶需求轉(zhuǎn)化成約束條件如下:Qc=2 000,Pc=(1+φ)c·(Qc×δc)≤1 700,G·δc≥28,δ51=0,δ41×δ62=0,δ42×δ61=0,其中φ表示企業(yè)設(shè)定的利潤(rùn)率.設(shè)置初值利潤(rùn)率為0.3,進(jìn)化代數(shù)為200,種群規(guī)模為200,交叉概率為0.95,變異概率為0.05,應(yīng)用遺傳算法求解得到帕累托最優(yōu)方案集如圖3所示:
圖3 帕累托最優(yōu)方案集Fig.3 Pareto optimal solution set
根據(jù)企業(yè)經(jīng)營(yíng)策略,設(shè)定權(quán)值θ1=0.4,θ2=0.6,通過加權(quán)和方法選擇面向定制需求的最優(yōu)配置方案為:δc=(0010 0010 001 001 100 001),即模塊實(shí)例選擇方案為:第5個(gè)功能模塊選擇第1種實(shí)例,其余5個(gè)功能模塊都選擇第3種實(shí)例.此時(shí),定制產(chǎn)品的綠色性能指標(biāo)值為28.85,產(chǎn)品族總成本為1 568.22萬(wàn)元.
為分析企業(yè)經(jīng)營(yíng)策略對(duì)配置方案的影響,通過調(diào)整權(quán)值θ1與θ2的取值,得到不同的配置方案,如表2所示.可以看出,不同配置方案對(duì)應(yīng)的定制產(chǎn)品綠色性能指標(biāo)值從28.39增大到31.34;產(chǎn)品族總成本從1 564.97 萬(wàn)元增大到1 603.93萬(wàn)元,絕對(duì)增量為38.96 萬(wàn)元.企業(yè)可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整其經(jīng)營(yíng)策略,選擇最優(yōu)的配置方案.
表2 經(jīng)營(yíng)策略對(duì)配置方案的影響Tab.2 Influence of business strategy on configuration scheme
針對(duì)客戶個(gè)性化定制需求,以模塊實(shí)例選擇方案為變量,兼顧綠色性和經(jīng)濟(jì)性目標(biāo),提出綜合考慮模塊實(shí)例綠色性能和產(chǎn)品族通用性成本的產(chǎn)品族配置設(shè)計(jì)方法,并以電動(dòng)剪刀產(chǎn)品族為例驗(yàn)證所提方法的可行性和有效性.基于本文研究得到以下結(jié)論:
1) 面向定制需求的配置方案通過產(chǎn)品族通用性影響產(chǎn)品族成本和企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益,綜合考慮自制模塊學(xué)習(xí)效應(yīng)和外購(gòu)模塊規(guī)模效應(yīng),實(shí)現(xiàn)更加全面客觀地核算特定時(shí)期內(nèi)產(chǎn)品族的總成本,可為企業(yè)產(chǎn)品精準(zhǔn)定價(jià)提供有效指導(dǎo).
2) 基于所提的產(chǎn)品族配置設(shè)計(jì)模型和約束條件,以優(yōu)化配置方案綠色性能和特定時(shí)期內(nèi)產(chǎn)品族總成本為目標(biāo),應(yīng)用遺傳算法即可獲得帕累托最優(yōu)方案集,有利于企業(yè)根據(jù)經(jīng)營(yíng)策略方便合理地選擇最優(yōu)配置方案.
課題組下一步研究方向主要聚焦于以下3點(diǎn):1) 實(shí)時(shí)跟蹤合作企業(yè)產(chǎn)品族策略實(shí)施狀況并采集相關(guān)數(shù)據(jù),完善配置優(yōu)化模型并基于MATLAB開發(fā)輔助軟件,以進(jìn)一步提升綠色性能評(píng)估和配置設(shè)計(jì)決策效率;2) 優(yōu)化綠色性能量化評(píng)價(jià)方法,基于碳限額和碳交易分析建立綠色性能與產(chǎn)品族成本之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系;3) 融合客戶滿意度優(yōu)化目標(biāo),探索基于配置設(shè)計(jì)的產(chǎn)品族多主體績(jī)效優(yōu)化方法.