产品服务系统设计问题分析与研究进展

张在房，于 伟，刘 园

(上海大学机电工程与自动化学院，上海 200072)

发达国家从以有形产品为主的工业社会步入了以无形服务为主的服务社会，与此同时，制造业和服务业之间相互依赖、相互融合，二者的边界越来越模糊。制造企业开始从单一产品的设计制造转移到为客户提供包含产品与服务的整体解决方案(又称产品服务系统，product service systems，PSS)上来[1]。

这种转变带来的竞争优势是通过将服务与产品融合，提供高价值方案来满足客户的个性需求，同时降低物质消耗与环境影响[2-3]。服务的加入为制造企业创造了新的发展机遇，提高了解决方案的多样性、差异性与竞争性。同时在设计阶段充分考虑产品与服务对客户需求的共同满足，以及二者之间的相互作用、相互影响，使得客户购买的解决方案具有更优的整体性能。

1 PSS设计特点

从产品设计到PSS设计，设计对象从单一产品扩展到产品与服务融合的整体解决方案，设计过程也更加复杂多样。这种变化对传统设计理论和方法产生了较大冲击，特别是处于设计初期的方案设计环节。传统方案设计理论方法主要是以产品为研究对象，研究体系相对完善，侧重实物产品的功能与结构建模及方案求解，难以适应PSS方案设计的新特点和新要求。

1.1 设计对象的融合性

设计对象的融合性包括设计对象的异质性、组合性和匹配性。PSS设计对象融合了有形产品与无形服务，二者具有典型的异质性，比如不同的存在形态(产品是一个客观存在的结构对象，服务是一系列活动组成的过程对象)。客户需求不再仅是产品需求，而是客户所要完成工程任务的整体需求(这更好地体现了客户需求的本质——需要的是PSS的使用结果而不是产品本身)。因此需要将产品与服务这2类异质的设计对象有效地组合在一起，共同完成客户的工程任务(客户任务)。产品与服务在组合时相互依赖、相互作用，需要确保产品与服务相互匹配，使其在交互关系、质量水平、运作方式等诸多方面定位均衡，以便发挥各自自身优势且以最佳整体性能来共同完成客户任务。综上所述，PSS方案设计是一种产品与服务融合的设计模式，需要将异质的有形产品和无形服务，以互相匹配的方式组合在一起共同满足客户任务需求。这些特点对PSS方案设计提出了客户任务的分析与表达、方案统一建模、产品与服务关系匹配与定位均衡等新的要求。

1.2 设计过程的复杂性

设计过程的复杂性包括设计决策的交互性、方案求解的多样性和方案优化的混合性。在PSS方案设计中，客户任务映射到产品与服务融合的整体解决方案，既要保证客户任务的有效传递，又要确保其在产品与服务间的合理分配，在此过程中的映射关系复杂多样，而且产品与服务相互影响、相互作用。需要通过二者之间的交互决策来确保方案的整体均衡，并以更优的整体性能来完成客户任务。产品与服务的融合使整体解决方案更为多样化(产品多样和服务多样带来了组合更大的多样化)，包括不同种类的模块及同类模块的不同水平等级等。这些因素扩大了设计空间，增加了设计求解的复杂度。考虑到设计过程和实际使用过程中的不确定性所带来的方案改进/升级需求，PSS方案需要不断地优化改进。优化对象是产品与服务融合在一起所构成的“混合体”，需要建立定量化数学模型进行优化再配置。同时要建立PSS系统分析模型和使用仿真模型，计算产品与服务的相关统计特性并辨识关键节点和关键参数，以辅助产品与服务这一“混合体”的整体优化。这些特点对PSS方案设计提出了客户任务向PSS方案的有效映射及其在产品与服务间的均衡分配、PSS的系统分析与使用仿真、以及混合模式下的优化改进等新的要求。

综合考虑上述2个新特点及新要求，为实现PSS方案设计的准确性和可靠性，需要进行定量化智能化的设计实现。提出智能算法和统计优化模型来实现PSS方案设计的客观化决策与优化改进。

2 国内外研究现状分析

2.1 PSS研究现状

从20世纪末提出产品服务系统概念到现在，PSS设计理论研究和实际应用已经取得了较大进展。理论研究(包括相关团队)现状如下。

1)PSS的概念和影响分析 MONT分析了PSS的可持续性内涵及面向结果或用户的不同服务理念，建立了PSS的理论体系[1-4]。COOK等通过理论分析与实例总结，研究了PSS对美国制造业的影响及企业生产模式所需的转变[5]。MANZINI等认为PSS是一种利益主体间(比如客户和制造商之间)的新型关系，能够带来新的经济增长点和潜在的资源优化模式[6]。BAINES等系统总结了2007年之前的PSS相关研究工作，分析了PSS的收益、应用以及可能的推广障碍[7]。从本质上讲，PSS可以看作是服务业与制造业的融合——服务型制造[8]。

2)PSS的体系架构 AURICH等运用成组技术建立了PSS面向生命周期的框架体系[9]。林文进等对服务型制造理论的相关研究进行了综述，并提出了网络化的结构体系[10]。顾新建等提出了PSS的共性关键技术，包括设计技术与需求挖掘技术等[11]。朱琦琦等提出了一种面向数控加工设备的PSS[12]。MEIER等总结了当前工业产品服务系统(industry product service system, IPS2)的研究进展，提出了由设计系统、交付系统和改进系统构建的IPS2体系[13]。

3)PSS的运作 AZARENKA等以BoX激光精磨机为例，分析了3类PSS模式下制造商和客户的资金投入与收益情况[14]。LOCKETT等探讨了供应链与PSS运作的关系[15]。龙跃系统研究了基于服务型制造的汽车零部件供应商服务博弈及优化问题[16]。王帅研究了服务型制造模式下混合供应链的重新配置问题[17]。HU等基于定量评价方法提出了PSS运作过程中的可持续性评价模型[18]。BELVEDERE等基于定量调查方式(共调研109家公司)，探讨了在PSS运作过程中信息化技术的角色定位及应用[19]。HUANG等提出了基于RFID技术的PSS运作模式，以促进汽车零部件制造过程的精益生产和大规模定制[20]。

4)PSS的设计方法与工具 MORELLI提出利用IDEF0设计PSS总体功能并采用服务蓝图法表达PSS方案[21]。KOMOTO等提出了集成生命周期仿真的PSS设计工具——ISCLS(integrated service CAD with life-cycle simulator)[22]。SAKAO等提出了一个包括流模型、域模型、情景模型和视图模型的服务产品模型，并开发了计算机辅助设计系统——服务资源管理器 (service explorer)[23-24]。ALONSO等在总结服务设计过程的基础上，提出了功能产品的设计过程和支持架构[25-26]。KIM等给出了PSS的基本设计过程及其功能建模思路[27]。AURICH等建立了一种面向生命周期的PSS配置模型[28]，而LONG等基于支持向量机提出了考虑客户需求的PSS配置模型[29]。WANG等提出了PSS的模块化设计方法，将PSS划分为功能模块、产品模块和服务模块[30]。AN等采用质量功能展开方法实现了PSS客户需求到技术方案的转化，映射关系由设计者根据主观经验确定[31]。KUO等针对PSS设计中的维修服务层次优化问题进行了研究[32]。LI等针对集成服务产品(类似PSS)，采用“由顶向下”和“由底向上”的策略，支持产品与服务的模块划分过程，具体实现方法则利用质量功能展开和映射矩阵[33]。

5)PSS的实例总结 KERR等以复印机的再制造为例进行分析，提出产品再制造是企业采用PSS战略时降低物料消耗的有效途径[34]。SUNDIN等以叉车、夯土机和家用电器为例，介绍了瑞典企业在采用PSS战略时产品设计的经验[35]。HU等以洗衣机为例，评估了不同PSS模式下的碳排放量[36]。

6)PSS的研究团队及国际国内会议 国外大学有Kaiserslautern University of Technology以AURICH为代表的研究团队(研究重点在PSS的生命周期设计体系)，Cranfield University分别以ROY，BAINES和DURUGBO等为代表的研究团队(研究重点在IPS2体系与信息流等)，Linköping University以SUNDIN和LINDAHL为代表的研究团队(研究重点在PSS的实例总结与再制造)， Ruhr-University Bochum以MEIER为代表的研究团队(研究重点在IPS2运作体系)，Aalborg University 以MORELLI为代表的研究团队(研究重点在PSS及其服务的总体设计)，Tokyo Metropolitan University以SHIMOMURA为代表的研究团队(研究重点在PSS设计)，Sungkyunkwan University以KIM和LEE为代表的研究团队(研究重点在PSS功能建模)，中国有上海交通大学、浙江大学、西安交通大学及重庆大学等不少高校正在开展PSS或服务型制造领域的相关研究。国家自然科学基金委2008年举办了“产品服务系统前沿中青年学者高层论坛”，并从2009年开始资助PSS或服务型制造领域的项目研究，集中在系统运作、制造策略与资源配置等方向。自2009年开始，国际生产工程研究学会(The International Academy for Production Engineering,CIRP)每年举办一次关于IPS2的国际会议，来专题讨论PSS在工业领域中的最新成果和研究进展。由此可见，PSS领域越来越受到各方的关注并开始进行深入的探索和研究。

PSS理念已经在许多行业或领域中得到了初步的实际应用。

2.2 PSS理念应用现状

1)汽车行业 通用公司向客户销售汽车的同时，还通过OnStar系统提供个性化的维修和安全保障服务。YADAV等提出了轮胎PSS，轮胎公司从销售轮胎产品转型为销售轮胎使用[37]。汽车共享也是一种典型的PSS模式，统计数据表明可以降低40%的汽车数量，运行里程降低30%～60%(减少无效里程的浪费)[38]。

2)化工行业 BIERMA等提出了一种新的PSS模式——化学品管理服务[39]，激励的衡量指标由化学品销售量转变为化学品完成的功能量，也就是从卖产品转变为卖功能。STOUGHTON等总结了15家企业实施化学品管理服务的经验，论证了降低化学品的使用量及成本是客户与服务商的共同目标[40]。

3)IT行业 IBM实施了从IT硬件制造商向IT整体解决方案提供商(提供包括硬件、软件和相关服务)的战略转变，实现了收入与利润的大幅攀升。Apple公司以iPod+iTunes方式向用户提供多种多样地个性化组合方案：包括iPod播放器、操作系统及音乐下载服务等。

4)其他行业 陕鼓集团为宝钢提供炼钢所需的送风系统，这一整体解决方案既包括鼓风机、相关的配套设备和基础设施，也包括保障系统有效运行的安装调试和维护维修等服务。海尔集团提供客户参与设计的个性化家电产品并辅以多样化的售后服务[10]。

在理论研究方面，当前研究主要局限于概念、理论体系、运作机制与模式以及案例总结等方面，对PSS设计这一核心主题，特别是PSS方案设计的研究较少且不够深入。当前的研究初步探讨了PSS设计框架体系、基本设计过程、简要的总体建模思路和设计支持工具，没有深入研究客户的真正需求是什么以及如何进行描述(任务表达)、如何统一表达产品与服务融合所构成的整体解决方案(方案建模)、如何将这些需求准确可靠的转化为PSS方案的设计依据(任务映射)、如何准确地实现产品与服务定位的合理分配(性能匹配)、以及如何改进和优化设计方案/案例(统计优化)等关键问题。

在实际应用方面，虽然PSS在企业生产中已有初步的应用，并取得了一定的成效，但是制造企业的设计模式和技术方法没有发生根本性的改变。产品设计与服务设计多处于分离状态，分别由设计部门和市场部门来执行，这种分离模式使得数据描述、方案分析与设计等多个方面形成了异构状态，难以有效沟通和互动， 阻碍了产品与服务的信息共享、性能匹配以及整体优化；企业缺乏定量化方法，多数依赖设计工程师的主观经验知识，难以准确客观地完成PSS方案的设计与优化。

3 对研究方向的建议

PSS是产品与服务融合的新型制造模式，是制造企业服务化转型的必然选择，有助于提升中国制造业的竞争力。由于PSS方案设计具有设计对象的融合性(包括设计对象的异质性、组合性和匹配性)和设计过程的复杂性(包括设计决策的交互性、方案求解的多样性和方案优化的混合性)等新特点，对PSS设计实现提出了新要求。传统设计理论方法难以适应PSS方案设计的这些新特点新要求，迫切需要解决以下问题。

1)在PSS建模方面，缺乏对客户需求本质的有效分析，即没有明确客户的根本目的是完成工程任务而非购买产品本身，需要进行客户任务的分析和建模；缺乏对产品与服务两类对象在方案域的统一描述和表达，即在统一建模方式下既要描述产品的结构，还要描述服务的活动，实现二者的真正融合和无缝集成。

2)在PSS设计决策方面，现有方法多为定性决策，主要依赖设计者的主观经验知识，准确性和可靠性较差，缺乏客观化方法实现客户任务到PSS方案的映射及技术规格的确定；缺少产品与服务间相互关系的综合分析和性能定位的均衡性研究；此外，需要建立产品与服务融合下的客户满意度函数，来实现多个PSS方案的择优。

3)由于PSS的设计不确定性和使用环境的多样性，导致PSS方案不断进化和升级改进。从客观决策的角度出发，需要采用数学方法来实现PSS方案定量优化再配置；为降低方案改进的成本、风险和技术难度，需要进行PSS方案的系统性分析，并进行PSS方案在生命周期的使用效能仿真，获取优化改进的决策依据。

只有深入分析和总结国内外现有PSS领域的相关研究，继承传统方案设计的研究成果，才能在PSS设计领域中取得新的理论方法进展。为此，需要紧扣产品与服务融合这一着眼点，提出PSS方案的统一建模、设计决策和优化改进方法，建立相应的系统化理论体系，进而为当前的理论研究和企业应用提供一套行之有效的理论方法和一种更具实际意义的技术指导。这些理论方法的应用，能够有效增强制造企业的设计手段和实现方法，提高企业的市场响应能力和综合竞争力。

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