清華大學莫欣農教授
熱水器的故事
據世界經理人2013年8月刊“讓制造業精益化”一文報道：就在一年半前，通用電氣原本在便宜中國工廠生產的熱水器搬回昂貴的美國工廠生產。戲劇性的結果發生了：美國生產的熱水器和中國之前生產的熱水器相比，材料成本降低了，人工成本降低了，質量卻提高了，甚至能耗效率也提高了。更要命的是，這款產品的零售價比之前在中國生產的產品低了將近20%。
為什么美國生產的熱水器能耗效率和質量會提高？為什么成本高的美國工廠生產熱水器的材料成本、人工成本和價格反而低？這樣的二高三低說明了什么？未來中國制造業的核心競爭力表現在哪里？帶著這些問題，我和大家分享一下由CIMdata與e-works聯合主辦的“2013 CIMdata PLM國際認證中國首屆高級研修班”的培訓給我的啟示。
CIMdata認證
本次在華首次舉辦的這次PLM資質認證培訓共安排了三天十二講的內容。第一天主要是講解如何制定PLM系統策略、方案評估與選型；第二天課程有實施計劃監控和持續改進、PLM流程定制及測試、企業內部PLM集成、PLM中配置管理的角色；第三天PLM高級課程包括PLM數據建模、產品族管理、需求管理等，最后還有培訓的總結。今天我主要結合第三天的高級課程來解釋熱水器引發的思考。
PLM數據建模
數據建模是用來表達和訪問產品數據的抽象模型，目的是讓不同部門能夠相互理解受控和非受控的產品數據，即設計部門、工藝部門、采購部門、服務部門都能理解和利用相關的產品數據。Item可以翻譯成“條目”，也可以翻譯成“項”，本質上是面向對象技術中的一類對象。項代表的實體、屬性、關系等三要素構成了PLM數據模型。
培訓中講到了數據建模的方法、數據建模的步驟、數據模型的開發與擴展、數據建模流程等內容。我認為最重要的是建立包括設計數據、工藝數據、采購數據、使用數據、維修數據等各種類型數據之間的關聯，才是完整的PLM數據模型。
產品全生命周期分為前期(BOL)、中期(MOL)和末期(MOL)。在產品生命的前期經歷了4 個階段。第一個概念設計階段定義產品的功能，將用戶的需求分解為多層功能，并按功能節點間的關聯關系形成產品功能BOM。第二個詳細設計階段按每項功能設計產品結構形成工程BOM，每個節點可能關聯設計模型、工程圖紙、分析仿真、使用手冊、維修說明等數據。第三個制造準備階段將可能采用的制造工藝、加工設備和相關的工具、資源等數據關聯起來，形成制造BOM。第四階段將實際制造有關的數據，包括產品序列、批次、供應商、質量等數據關聯起來，形成不同系列的成品BOM。第一批產品是A供應商的數據，可能第二批就變成了B供應商的數據。因此成品BOM中每個對象關聯的是供應商、檢驗/試驗、質量等數據。在產品生命前期的各種各樣的數據需要有統一的數據模型進行管理，而且互相之間要保持一定的關聯關系。
圖1 主動服務管理系統的數據管理模型
依次類推，產品生命中期也有很多數據，包括使用過程中的監控條例和保養規范等維修需求、備件計劃、維修工藝、故障記錄、匯總信息等數據。中期的這些數據之間要相互關聯，同時還要和前期的數據建立關聯關系。通常前期設計數據中只有與使用維修相關的部分數據才會與中期相關，如使用手冊、維修說明等。中期也有部分數據是前期非常希望了解的，如產品實際使用性能、故障率、維修經驗等。為了將有限的設計數據和大量的、長期的使用數據之間的關聯關系落實下來，數據模型采用中性BOM作為橋梁，一方面把設計制造的知識關聯到中性BOM上，通過中性BOM與大量的實例BOM之間的關系把設計制造知識傳遞到實例BOM。另一方面通過中性BOM的關聯關系匯總實例BOM上的使用維修數據反饋到前期各種BOM上。同時，在產品生命末期利用中期積累的詳細記錄產品關鍵部件維修記錄和故障描述的履歷表來指導拆解和回收。這樣的PLM數據模型保證不同階段的數據由不同的BOM結構進行管理。通過不同BOM之間的關聯關系實現不同階段的人員都能順著BOM之間的關系找到產品生命周期不同階段的數據。
在產品全生命周期整個過程中還存在變更管理模型，包括功能、設計、零件、成品、維修等階段的產品數據都會存在發布前的多次調整，發布后的多次改變，這種調整和改變都需要有相應的變更規則(如圖2)。
圖2 產品數據模型示意圖
圖2就是二十多年前國際先進的PDM/PLM產品數據模型變更管理示意圖，它能夠描述任何復雜的產品數據及其變更歷史。有了這個完整數據模型，企業就可以建立產品族譜，即把系列的產品用統一的BOM進行有效管理。這次培訓指出建立PLM數據模型是管理的基本目標。但目前來說，國際上真正能做到的企業并不是很普遍，除了少數的先進企業。
產品族管理
產品族管理是PLM的精髓部分。但目前很多PLM系統還未觸及到產品族管理。產品族管理包括產品族、項目族、大項目/項目，有效資源分配等，支持企業達到產品創新的目標。針對這一部分，培訓課程講解了產品族管理的基本功能，從哪里著手，什么時機適合開展等內容。
我簡單畫了一個統一BOM（GBOM）（也稱超級BOM）圖，包括產品族和全部零部件，根據不同情況組合成三種產品。通過梳理可以發現，這三個產品有一部分結構是通用的，這樣就形成了一個通用的產品族平臺BOM，剩下部分就可通過不同約束條件來進行配置。圖中產品族有日期和價格等二個配置變量，有C11、C12、C21等三個部件是配置件，有P31、P32、P33、PE1、P21、R1等六個選配零件。通過日期和價格組合的三條配置規則，配制出產品一、產品二、產品三分別由部分不同零部件組成的產品BOM。如圖是一種豎形的產品配置管理規則。
圖3 產品配置規則實例
產品配置的規則需要根據企業的實際情況，原理都是按照某種特殊條件，選擇某些有效的規則進行不同的產品組合。產品配置管理是產品數據管理的靈魂，是產品管理的最高境界。
需求管理
目前很多企業已經把注意力往產品生命周期的前期延伸。產品能不能占領市場，很大程度上決定于企業的產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、確認與驗證需求，以及管理需求的變更等都是需求管理的核心。
在培訓班上，CIMdata總結了需求管理的6大要點：產品生命周期應由需求驅動，可追溯性形成閉環；需求的定義和改進需要反復迭代的過程；需求記錄下不同成熟度的數據構成多級結構；需求管理與OA及其他工具集成起來共享數據；PLM支持需求管理，供應商已經擴展這些功能；需求管理實施需要考慮人、流程和工具。
需求管理的基本目標是要達到知其然，知其所以然的境界。即需要準確地了解各種需求，例如法律法規要求、市場用戶要求、技術協調要求、制造條件要求、測試驗證要求、環境保護要求、維修服務要求、其它特殊要求等等。還應根據需求提出合理的解決方案，包括對性能指標、開發成本、時間進度、風險對策、市場競爭等方面進行評價。并能全程跟蹤各項指標的變更和落實情況，包括設計制造過程、使用維修過程的跟蹤和指導。
下面通過一個簡單的水泵房設計案例來講解需求管理的基本原理。需求管理核心技術就是將設計任務書進行分解與匯總。
圖4 水泵房任務書的分解與匯總
水泵房包含多個功能部門，需要撰寫總體設計任務書、電氣設計任務書、管路設計任務書等。原來編寫設計任務書時不僅各項功能之間關聯關系不易把握，而且存在一處變更后需要多處修改。需求管理系統先將總體設計任務進行分解，再通過一定的關聯將分散的需求組合起來形成特定的設計任務書。當需求發生變化后，直接通過關聯關系同步到所涉及到的需求對象。例如自控系統需要一個指示燈，電氣系統就要配備相應的線路，管路系統也要提供對應的電線管道，結構系統則要在墻上指定位置設置安裝孔。一旦指示燈發生變化，相應的線、管、孔也要隨之變化。綜合起來需求管理關鍵是建立需求對象之間的關聯關系。
PLM熱門技術
CIMdata PLM培訓時總結當前PLM領域比較熱門的兩個技術。
(1)通過加強需求管理和多方案綜合評價，為企業規劃出具有長期競爭能力的產品族，按照市場競爭的態勢，在合適的時候推出效益最大化的系列產品，占據市場高峰。
(2)產品族管理將市場分析、企業戰略和財務管理等整合到產品生命周期管理流程，對于很多PLM供應商來說還是一個未廣泛觸及的領域。
啟示
通過以上的分析，我們再來看在演講開始時所提到的問題，CIMdata PLM資質認證培訓給我的啟示是：
(1)為什么美國生產的熱水器能耗效率會提高？答：總體設計水平高
(2)為什么成本高的美國工廠生產熱水器的價格反而低？答：產品族管理水平高
(3)未來中國制造業的核心競爭力表現在哪里？答：走制造服務的新路
開拓制造服務
制造服務是我近年來一直研究的方向。我經常舉的一個例子就是風力發電廠通過物聯網大幅度降低運行信息共享的成本。現在很多風力發電機的設計制造廠商已經開始研究這個軟件，如何根據設備運行狀態進行故障預測和提供最及時的維修保障服務。
圖5 物聯網促使產品運行成本低信息共享
另一個例子是三一重工全球客戶門戶。三一有8萬多臺工程機械分布在全國各地。每臺工程機械每隔10秒鐘到2個小時將實時運行情況發送給三一總部的服務中心。服務中心可通過編號和GPS定位知道每臺工程機械的位置和運行狀態。一旦發現異常情況，輸入查找半徑就可以找到離出現異常情況的工程機械最近的服務車，通過電話、短信、郵件等方式通知服務車迅速趕往現場，及時提供維修服務，真正做到主動維修。
圖6 三一集團全球客戶門戶
面向服務的維修制造活動是新型制造運行模式，具有以下特點：
●產品智能化：
計算機能夠根據產品運行實際情況，用最佳的方式控制產品的運行，滿足人類的最大需求。
●監控實時化：
廉價的信息傳遞技術使得產品運行狀態監控失去了距離和空間的約束。掌握產品核心技術的開發商利用遠程狀態監控技術，實時掌握產品的運行狀態，不斷改進產品的質量，同時也發現未來創新的發展方向。
●服務主動化：
制造商利用自身的優勢，通過狀態監控，為產品提供及時的維修、服務和升級，不僅創造新的利潤增長點，同時也是綠色制造的必然趨勢。
圖7 面向服務的維修制造活動
根據清華大學莫欣農教授在2013第九屆中國制造業產品創新數字化國際峰會的發言整理而成，已經本人確認！
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