大批量定制设计研究现状

大批量定制设计研究现状　

文 摘：大批量定制(Mass Customization, MC)是制造业发展的必然趋势。任何生产方式都需要一定设计方法的支持，实现MC所需要的设计方法称为大批量定制设计(Design for Mass Customization, DFMC)。该设计方法试图从设计流程、设计方法、支持技术等方面，以实现大批量定制为核心，对已有设计方法进行系统地整理和改进扩展，从而形成大批量定制生产模式下的设计理论体系。本文从上述三个方面对大批量定制设计的研究现状进行了分析，介绍了大批量定制设计的基本概念和设计流程的变化，讨论了大批量定制设计的基本方法，给出了实现大批量定制设计所需技术及发展现状。

关键词：大批量定制大批量定制设计　设计方法学　产品族设计　模块化设计　

多品种、小批量生产是目前制造业发展的趋势，其终极结果为大批量定制（Mass Customization，MC）的实现。大批量定制的概念可以概括为：大批量定制是企业采用技术和管理手段实现对每个顾客的个性化定制，而成本和时间同大批量生产产品相一致的一种生产模式。其面临的最大挑战是速度和成本[1 Pine J. Mass Customization: the New frontier in

business competition. Boston: Harvard Business School Press, 19935 Owen D, Kruse G. Follow the customer. Manufacturing Engineer, 1997, 76(2): 65-68。产品设计阶段的成本在整个产品成本中占

]

~

80%[6 Anderson D M, Pine J. Agile Product Development for Mass Customization, Niche Market, JIT,

Built-to-Order and Flexible Manufacturing. New York: McGraw-Hill, 19977 周济, 查建中, 肖人彬. 智能设计. 北京：高等教育出版社, 1998，其时间在整个产品生命周期中也占有很大比重，任何生产

]

，

方式的成功都离不开与其相适应的设计方法的成功，大批量定制也不例外。本文将从概念、

方法、实现等几个方面对适应大批量

设计领域销售；设计制造；服务面向大批量定制设计并行工程基于产品族设计设计区别设计单个产品

类型

设计一组产品

类型

定制要求的大批量定制设计进行讨论。

1 大批量定制设计的基本概念

大批量定制设计(Design for Mass Customization，DFMC)的概念是1996年Mitchell M.提出的[8]：采以

用并行流程围绕产品族进行设计，有效地满足客户需求。这种方法的目标是在产品设计的早期阶段进行整

设计；制造产品设计典型设计图1 设计流程领域扩展

体概念设计的同时，考虑范围经济性和批量经济性；其重点为建立合理的产品族结构，同时完成一组产品的设计，而不只是一个产品；为了有效的实现大批量定制，设计就要捕捉并定

HENRY20031003@126.com

100%定制设计客户需求客户需求客户需求客户需求可制造产品模型在定制中的作用更换或修改“标准”设计和流程容易定制的零件产品开发过程快速设计过程可变型产品模型标准零件或模块

图2 大批量定制的设计流程

反应式定制预定制（大批量定制）

图3 大批量定制设计的效果

义个体客户对产品的需求，设计过程必须从传统的设计制造集成扩展到销售、服务等部门。设计在设计领域和产品族方面的扩展参见图1。图2给出大批量定制设计的过程。图3表示大批量定制希望获得的效果[6]：左边表示大批量生产产品中各种零件的比例，右边表示大批量定制产品中零件的比例，大批量定制设计试图通过扩大产品中标准零件、模块以及容易定制的零件的比例来提高速度，并降低成本。

为达到目标，传统的设计流程需要在以下几方面进行改进：

产品开发与快速设计分离：大批量定制设计将产品设计分成产品开发和快速设计两个阶段。产品开发阶段对企业的客户群进行定位，分析已拥有的客户需求，预测未来的客户需求，建立相应产品族结构，形成完善的变型机制。快速设计阶段在产品开发阶段的基础上，以产品配置器为主要工具，结合定制设计，快速实现随时到来的客户需求。

工作流程并行：并行工程是基于时间竞争前提下提出的缩短产品设计时间，提高竞争力的一种方法，它通过产品设计、制造等领域活动的并行来缩短产品的开发时间。为提高设计速度，并行也为大批量定制设计所需要，并成为大批量定制设计安排流程的重要一环，而并行范围进一步扩展到产品的销售和服务等领域，成为产品全生命周期的并行。

加强流程间合作：产品族结构不能满足客户需求时，就需要进行定制设计。流程的合作有利于尽快产生设计思想。企业如果存在不同的产品族，在产品族的开发阶段应加强流程之间的合作，在产品的模块划分和零部件设计中取得一致，尽量采用相同的设计成果，促进设计成果重用，增加可同时制造的零件数量，形成批量经济性。

2 大批量定制的设计方法　

HENRY20031003@126.com

大批量定制设计方法概括起来就是要实现产品零部件的标准化和模块化。下面介绍常用的设计方法。 2.1 标准化、规范化

产品中大量使用标准零部件有利于降低成本。企业应将对产品成本影响较大的零部件进行标准化，而通过其它零部件的变型来满足定制的需求。为了提高速度、降低成本，还应考虑对原材料、加工代码等进行标准化。规范化是指分析企业零件，合并相似件，减少零件数量，提高零件使用频率，从而降低零件管理费用的方法。实现标准化、规范化的方法包括ABC分析、产品结构分析、零件分析、参数分析、编码技术等，对零件的使用频谱进行分析，标准化使用频谱高的零件，规范化使用频谱较低的零件，合理分布企业零件。 2.2 面向产品族设计

面向产品族设计[8]指结合预测分析已有顾客需求，根据产品拟采用的定制方法提取变型参数，同时设计一族产品的设计方法，其目标是提供可变型的产品模型，为针对单个客户需求进行产品配置和快速设计提供基础。其产品模型具有如下特征：产品结构的组成模块能够为特定客户配置出最终产品；模块组织能够让销售、设计、制造和服务部门采用一致的方式反映企业能力和顾客需求；能够作为信息集成平台实现产品设计全过程的集成；能够用来评价产品生命周期中决策的经济性。

2.3 模块化设计

模块化设计是对一定范围内的不同功能或相同功能不

a

同性能、不同规格的产品进行功能分析，划分并设计一系列功能模块，通过模块的选择和组合构成不同的产品，以满足市场的不同需求[9 贾延林. 模块化设计. 北京：机械工

b

业出版社, 1993]。虽然定制是提供满足客户特定需求的最终产品，但它仍依赖于零部件的加工与制造，采用规划好或标准化或易于变型的零部件模块可以降低成本，并提高速度。模块划分可以参考如下原则[8 Tseng M, Jiao Jianxin.

]

图4 （a）产品结构不后延 （b）产品结构变型后延

Design for mass customization. Annuals of the CIRP, 1996, 45(1): 153-156：1)、产品族的划分；2)、设计

制造中的重复性；3)、划分粒度；4）、产品的全生命周期。综合考虑各个方面可以获得具有较好经济性的产品模块。 2.4 后延设计

为了增加产品种类、客户满意度和制造效率，有人提出产品变型后延（Delayed product differentiation, DPD）的设计方法[10]，其基础是产品成为特定制造过程特定阶段的特定产品的时刻的后延，参见图4。制造过程可分为多个阶段，每阶段需要不同的零部件。提高早期阶段零件的通用性，在后期阶段进行定型，可以减轻供应链负担，降低生产成本。通用性指不同的产品使用同一组件。采用产品变型后延概念的设计方法称为后延设计：对零件进行分析，将零件分解为几个零件的装配组合，以增强通用性。 2.5 产品配置

产品配置是快速设计阶段的重要设计手段[11 Gardner D J. Configurators for Mass

HENRY20031003@126.com

Customization. Agility & Global Competition, 1998, 2(2): 10-1213 Carson C. Intelligent sales Configuration. PC AI Intelligent Solutions for Today’s Computer, 1997, 11(1): 31-34。它为销售人员定义客户的个性化

]

~

需求提供选项；根据客户选定的选项对产品

大批量定制产品模型产品

产部件

品结构层次零、组件

产品、部件、组件、零件

的种类

详细程度“普通”产品模型模型进行定型，为客户展示产品和提供价格。客户如果满意，它生成生产部门使用的产品制造模型；否则，为设计人员提供设计实例，使定制设计有较高的起点。为实现产品配置，产品开发阶段应考虑并满足如下要求：1、模块、组件应该具有参数化数字模型；2、模块、组件的几何约束、物理约束 能够得到保证；3、模块、组件间的约束关

系已经确定，即变型时能确定受影响的零部件及其参数。

图5 不同的模型：产品变型与产品细节

3 大批量定制设计的实施

大批量定制设计的实施同计算机、信息技术紧密相连。只有将企业的设计、制造、销售等全部信息进行集成，形成信息管理的统一框架，为大批量定制设计提供有力的支持，才能真正的实现它。

3.1 大批量定制设计对环境的需求　

（1）　（1） 产品的数字化模型

大批量定制设计要求产品的数字化模型能够同时反映一族产品的共同特性，能够通过变量条件的选择形成不同的产品，提供产品的“客户视图”和“技术视图”。客户视图指反映顾客需求的产品外观和报价等；技术视图指形成可加工的确定产品或提供进一步设计所需产品实例。传统的产品模型不能满足这一要求[14 Erens F. Product Modelling and other functions. In:

Wortmann J, Muntslag D, Timmermans P, eds. Customer-driven manufacturing. London: Chapman & Hall, 1997. 193-208，二者之间的差距参见图5。图中从上至下分别指产品、部件、零、组件，宽度指企

]

业中产品、部件、组件、零件等的种类的数量，深度指产品模型的详细程度：普通产品模型重视产品的细节，即产品各项属性的表达，而忽略产品种类扩展的管理；大批量定制需要模型对产品的变型进行管理，能够根据不同的需求提供相应的产品模型，模型要能协调产品、部件、零、组件的种类。

（2）流程管理

实现大批量定制的两大挑战是成本和速度。为此，企业要从产品的设计、制造、服务等方面对流程进行重新思考，剔除不能带来价值的，改善影响企业反应能力和速度的，并与产品种类分离而加以固定，增强企业生命力和满足客户需求的能力。企业运行严格按照流程展开。因此，流程管理要能够有效管理产品的所有过程，包括从概念设计到产品定型等的任务分配、项目规划等；能够有效管理长时间事务；能够处理大量的突发事件；最重要的是流程

HENRY20031003@126.com

能够在运行过程中得到改善。

（3）快速设计

大批量定制设计中的快速设计有两个意义：1、通过产品配置组合标准模块形成满足客户需要的产品；2、对不能满足的客户需求进行的定制设计。这就要求：1、要有产品配置功能，对产品模块进行管理，为销售人员提供定义客户需求的工具；能够提供最接近客户需求的实例，并提供零件变型的影响链，为设计人员进行定制设计提供最高的起点；2、能够提供专家系统或支持变型的数据库，为设计人员提供众多的参考方案；3、提供完善的合作机制，使设计人员能够群策群力，快速形成多种设计方案，得到最终设计。客户需求和相应的设计结果通过格式化，能够丰富原产品模型。 3.2　常用技术　

根据大批量定制设计的要求，下列技术可用来构建其支持环境。

（1）创成式BOM（Generic Bill-Of-Material）：BOM(Bill-Of-Material)是表示产品零部件装配关系的一种形式。创成式BOM[14 Erens F. Product Modelling and other functions. In:

Wortmann J, Muntslag D, Timmermans P, eds. Customer-driven manufacturing. London: Chapman & Hall, 1997. 193-208使用变量条件管理表中条目的有效性，使统一产品族中不同的产品结构成为可能，

]

是实现产品配置的关键。创成式BOM的研究开始于九十年代初期，目前有面向过程的创成式BOM[15 Olsen K A, Setre P, Thorstenson A. A procedure-oriented generic bill of materials. Computer and

Industrial Engineering, 1997, 32(1): 29-45，面向对象的创成式BOM16 Trappey A, Peng T, Lin H. An object-oriented bill of materials system for dynamic product management. Journal of Intelligent Manufacturing, 1996, (7): 365-371等，要解决的问题是如何合理安排组织方式，以更有效的统一产品结构、更

]

]

[

快速的获取信息。

（2）拼装（MOCK-UP）：快速设计结果需要进行预装配来检验模块之间的关系，需要参数化CAD软件的支持。由于不同CAD软件描述的零部件不易实现预装配，CAD软件管理零件的装配关系也不方便，这时拼装（MOCK-UP）就比较有用。它使用PDM软件管理产品结构，通过将CAD文件按照统一的标准，如STEP标准等，转化为一致的形式，从而实现产品的预装配。拼装常常同配置器（Configurator）一起提供客户使用。

（3）模块化流程和智能体：将流程划分为能够重用的模块能够更好的管理和重用流程，并增加流程灵活性，更好的满足工程管理的需要。由于管理模式的不同、企业机密的限制，不同企业流程的合作不能得到满意的进行，成为实现企业合作的障碍。智能体作为信息技术和人工智能技术的结合，由于具有自治性、学习性和合作性，能够自主的完成一些任务。不少学者主张采用智能体（Mobile Agent）来解决这些问题[17]。

（4）智能设计：智能设计[7 周济, 查建中, 肖人彬. 智能设计. 北京：高等教育出版社, 1998]

是近来讨论较多的技术，一般常采用专家系统辅助设计人员进行设计，其中基于实例的推理

[

18 Tseng M, Jiao Jianxin. Case-based evolutionary design for mass customization. Computers and Industrial

]

[

Engineering, 1997, 33(1-2): 319-322、人工神经网络、遗传函数19 Fulkerson B. Enabling mass customization with genetic algorithms. Annual International Conference Proceedings - American Production and Inventory Control Society, 1997: 480-482等方法得到了广泛的重视。在大批量定制设计中有人提出

]

HENRY20031003@126.com

采用基于实例的进化设计来实现，可在一定程度上促进设计的重用，加快设计的速度。

此外，产品数据管理（Product Data Management, PDM）技术，数据仓库技术，质量功能配置（Quality Function Deployment, QFD）技术，成本估算等也是实现大批量定制设计的关键。

４　结束语　

上面从基本概念和流程、常用设计方法、设计实施的支持环境等几个方面对目前大批量定制设计的研究现状进行了介绍和分析。大批量定制是制造业发展的必然趋势，随着技术的发展，将逐渐取代大批量生产的生产方式。大批量定制设计作为实现大批量定制生产方式的关键，目前仍然存在许多不足，需要在各个方面进行深入研究，为实现大批量定制，解决好它面临的挑战：速度和成本，提供更好的技术支持。

参 考 文 献

1

1 Pine J. Mass Customization: the New frontier in business competition. Boston: Harvard Business School Press, 1993 ２

２ Ronald L. Mass customization: the next industrial revolution. Industrial Management, 1995, 37(5): 8-19　3 4 5 6

3 Ross A. Selling uniqueness. Manufacturing Engineer, 1996,75(6): 260-263 4 Hanson P. Total Differentiation. Manufacturing Engineer, 1997, 76(3): 133-135 5 Owen D, Kruse G. Follow the customer. Manufacturing Engineer, 1997, 76(2): 65-68

6 Anderson D M, Pine J. Agile Product Development for Mass Customization, Niche Market, JIT, Built-to-Order and Flexible Manufacturing. New York: McGraw-Hill, 1997 7 8 9 10

7 周济, 查建中, 肖人彬. 智能设计. 北京：高等教育出版社, 1998

8 Tseng M, Jiao Jianxin. Design for mass customization. Annuals of the CIRP, 1996, 45(1): 153-156 9 贾延林. 模块化设计. 北京：机械工业出版社, 1993

10 He D, Kusiak A, Tseng T. Delayed product differentiation: a design and manufacturing perspective. Computer-Aided Design, 1998, 30(2): 105-113 11 12

11 Gardner D J. Configurators for Mass Customization. Agility & Global Competition, 1998, 2(2): 10-12 12 Bourke R W. Configurator systems: key to mass customization. Annual International Conference Proceedings - American Production and Inventory Control Society, 1994: 554-557 13

13 Carson C. Intelligent sales Configuration. PC AI Intelligent Solutions for Today’s Computer, 1997, 11(1): 31-34 14

14 Erens F. Product Modelling and other functions. In: Wortmann J, Muntslag D, Timmermans P, eds. Customer-driven manufacturing. London: Chapman & Hall, 1997. 193-208 15

15 Olsen K A, Setre P, Thorstenson A. A procedure-oriented generic bill of materials. Computer and

HENRY20031003@126.com

Industrial Engineering, 1997, 32(1): 29-45 16

16 Trappey A, Peng T, Lin H. An object-oriented bill of materials system for dynamic product management. Journal of Intelligent Manufacturing, 1996, (7): 365-371 17

17 Merz M, Liberman B, Lamersdorf W. Using mobile agents to support interorganizational workflow management. Applied Artificial Intelligence, 1997, (11): 551-572 18

18 Tseng M, Jiao Jianxin. Case-based evolutionary design for mass customization. Computers and

Industrial Engineering, 1997, 33(1-2): 319-322

19

19 Fulkerson B. Enabling mass customization with genetic algorithms. Annual International Conference Proceedings - American Production and Inventory Control Society, 1997: 480-482

Review on Design for Mass Customization

Abstract: Mass Customization is an inevitable tendency of the development of manufacturing industry. Each mode of production must be supported by the certain design methodology. The design methodology for this is called Design for Mass Customization. Taking the requirements to realize the Mass Customization as the consideration kernel, this methodology systematically reorganizes the old methods and makes some improvements and expansions from the aspects of design workflow, design method and support technology. The design system info is therefore attained. This paper analyzed the research status of Design for Mass Customization from the above three directions, introduced the basis concept of the methodology and the changement in the design workflow, discussed the fundamental design method and described the requirements of the methodology and the development status of the relevant technology.

Key Words: Mass Customization; Design for Mass Customization; Design Methodology; Product Family Design; Modular Design