清华大学莫欣农教授
热水器的故事
据世界经理人2013年8月刊“让制造业精益化”一文报道：就在一年半前，通用电气原本在便宜中国工厂生产的热水器搬回昂贵的美国工厂生产。戏剧性的结果发生了：美国生产的热水器和中国之前生产的热水器相比，材料成本降低了，人工成本降低了，质量却提高了，甚至能耗效率也提高了。更要命的是，这款产品的零售价比之前在中国生产的产品低了将近20%。
为什么美国生产的热水器能耗效率和质量会提高？为什么成本高的美国工厂生产热水器的材料成本、人工成本和价格反而低？这样的二高三低说明了什么？未来中国制造业的核心竞争力表现在哪里？带着这些问题，我和大家分享一下由CIMdata与e-works联合主办的“2013 CIMdata PLM国际认证中国首届高级研修班”的培训给我的启示。
CIMdata认证
本次在华首次举办的这次PLM资质认证培训共安排了三天十二讲的内容。第一天主要是讲解如何制定PLM系统策略、方案评估与选型；第二天课程有实施计划监控和持续改进、PLM流程定制及测试、企业内部PLM集成、PLM中配置管理的角色；第三天PLM高级课程包括PLM数据建模、产品族管理、需求管理等，最后还有培训的总结。今天我主要结合第三天的高级课程来解释热水器引发的思考。
PLM数据建模
数据建模是用来表达和访问产品数据的抽象模型，目的是让不同部门能够相互理解受控和非受控的产品数据，即设计部门、工艺部门、采购部门、服务部门都能理解和利用相关的产品数据。Item可以翻译成“条目”，也可以翻译成“项”，本质上是面向对象技术中的一类对象。项代表的实体、属性、关系等三要素构成了PLM数据模型。
培训中讲到了数据建模的方法、数据建模的步骤、数据模型的开发与扩展、数据建模流程等内容。我认为最重要的是建立包括设计数据、工艺数据、采购数据、使用数据、维修数据等各种类型数据之间的关联，才是完整的PLM数据模型。
产品全生命周期分为前期(BOL)、中期(MOL)和末期(MOL)。在产品生命的前期经历了4 个阶段。第一个概念设计阶段定义产品的功能，将用户的需求分解为多层功能，并按功能节点间的关联关系形成产品功能BOM。第二个详细设计阶段按每项功能设计产品结构形成工程BOM，每个节点可能关联设计模型、工程图纸、分析仿真、使用手册、维修说明等数据。第三个制造准备阶段将可能采用的制造工艺、加工设备和相关的工具、资源等数据关联起来，形成制造BOM。第四阶段将实际制造有关的数据，包括产品序列、批次、供应商、质量等数据关联起来，形成不同系列的成品BOM。第一批产品是A供应商的数据，可能第二批就变成了B供应商的数据。因此成品BOM中每个对象关联的是供应商、检验/试验、质量等数据。在产品生命前期的各种各样的数据需要有统一的数据模型进行管理，而且互相之间要保持一定的关联关系。
图1 主动服务管理系统的数据管理模型
依次类推，产品生命中期也有很多数据，包括使用过程中的监控条例和保养规范等维修需求、备件计划、维修工艺、故障记录、汇总信息等数据。中期的这些数据之间要相互关联，同时还要和前期的数据建立关联关系。通常前期设计数据中只有与使用维修相关的部分数据才会与中期相关，如使用手册、维修说明等。中期也有部分数据是前期非常希望了解的，如产品实际使用性能、故障率、维修经验等。为了将有限的设计数据和大量的、长期的使用数据之间的关联关系落实下来，数据模型采用中性BOM作为桥梁，一方面把设计制造的知识关联到中性BOM上，通过中性BOM与大量的实例BOM之间的关系把设计制造知识传递到实例BOM。另一方面通过中性BOM的关联关系汇总实例BOM上的使用维修数据反馈到前期各种BOM上。同时，在产品生命末期利用中期积累的详细记录产品关键部件维修记录和故障描述的履历表来指导拆解和回收。这样的PLM数据模型保证不同阶段的数据由不同的BOM结构进行管理。通过不同BOM之间的关联关系实现不同阶段的人员都能顺着BOM之间的关系找到产品生命周期不同阶段的数据。
在产品全生命周期整个过程中还存在变更管理模型，包括功能、设计、零件、成品、维修等阶段的产品数据都会存在发布前的多次调整，发布后的多次改变，这种调整和改变都需要有相应的变更规则(如图2)。
图2 产品数据模型示意图
图2就是二十多年前国际先进的PDM/PLM产品数据模型变更管理示意图，它能够描述任何复杂的产品数据及其变更历史。有了这个完整数据模型，企业就可以建立产品族谱，即把系列的产品用统一的BOM进行有效管理。这次培训指出建立PLM数据模型是管理的基本目标。但目前来说，国际上真正能做到的企业并不是很普遍，除了少数的先进企业。
产品族管理
产品族管理是PLM的精髓部分。但目前很多PLM系统还未触及到产品族管理。产品族管理包括产品族、项目族、大项目/项目，有效资源分配等，支持企业达到产品创新的目标。针对这一部分，培训课程讲解了产品族管理的基本功能，从哪里着手，什么时机适合开展等内容。
我简单画了一个统一BOM（GBOM）（也称超级BOM）图，包括产品族和全部零部件，根据不同情况组合成三种产品。通过梳理可以发现，这三个产品有一部分结构是通用的，这样就形成了一个通用的产品族平台BOM，剩下部分就可通过不同约束条件来进行配置。图中产品族有日期和价格等二个配置变量，有C11、C12、C21等三个部件是配置件，有P31、P32、P33、PE1、P21、R1等六个选配零件。通过日期和价格组合的三条配置规则，配制出产品一、产品二、产品三分别由部分不同零部件组成的产品BOM。如图是一种竖形的产品配置管理规则。
图3 产品配置规则实例
产品配置的规则需要根据企业的实际情况，原理都是按照某种特殊条件，选择某些有效的规则进行不同的产品组合。产品配置管理是产品数据管理的灵魂，是产品管理的最高境界。
需求管理
目前很多企业已经把注意力往产品生命周期的前期延伸。产品能不能占领市场，很大程度上决定于企业的产品能否满足客户多样化的需求。但是如何管理用户的需求，即如何获取需求、分析需求、描述需求、确认与验证需求，以及管理需求的变更等都是需求管理的核心。
在培训班上，CIMdata总结了需求管理的6大要点：产品生命周期应由需求驱动，可追溯性形成闭环；需求的定义和改进需要反复迭代的过程；需求记录下不同成熟度的数据构成多级结构；需求管理与OA及其他工具集成起来共享数据；PLM支持需求管理，供应商已经扩展这些功能；需求管理实施需要考虑人、流程和工具。
需求管理的基本目标是要达到知其然，知其所以然的境界。即需要准确地了解各种需求，例如法律法规要求、市场用户要求、技术协调要求、制造条件要求、测试验证要求、环境保护要求、维修服务要求、其它特殊要求等等。还应根据需求提出合理的解决方案，包括对性能指标、开发成本、时间进度、风险对策、市场竞争等方面进行评价。并能全程跟踪各项指标的变更和落实情况，包括设计制造过程、使用维修过程的跟踪和指导。
下面通过一个简单的水泵房设计案例来讲解需求管理的基本原理。需求管理核心技术就是将设计任务书进行分解与汇总。
图4 水泵房任务书的分解与汇总
水泵房包含多个功能部门，需要撰写总体设计任务书、电气设计任务书、管路设计任务书等。原来编写设计任务书时不仅各项功能之间关联关系不易把握，而且存在一处变更后需要多处修改。需求管理系统先将总体设计任务进行分解，再通过一定的关联将分散的需求组合起来形成特定的设计任务书。当需求发生变化后，直接通过关联关系同步到所涉及到的需求对象。例如自控系统需要一个指示灯，电气系统就要配备相应的线路，管路系统也要提供对应的电线管道，结构系统则要在墙上指定位置设置安装孔。一旦指示灯发生变化，相应的线、管、孔也要随之变化。综合起来需求管理关键是建立需求对象之间的关联关系。
PLM热门技术
CIMdata PLM培训时总结当前PLM领域比较热门的两个技术。
(1)通过加强需求管理和多方案综合评价，为企业规划出具有长期竞争能力的产品族，按照市场竞争的态势，在合适的时候推出效益最大化的系列产品，占据市场高峰。
(2)产品族管理将市场分析、企业战略和财务管理等整合到产品生命周期管理流程，对于很多PLM供应商来说还是一个未广泛触及的领域。
启示
通过以上的分析，我们再来看在演讲开始时所提到的问题，CIMdata PLM资质认证培训给我的启示是：
(1)为什么美国生产的热水器能耗效率会提高？答：总体设计水平高
(2)为什么成本高的美国工厂生产热水器的价格反而低？答：产品族管理水平高
(3)未来中国制造业的核心竞争力表现在哪里？答：走制造服务的新路
开拓制造服务
制造服务是我近年来一直研究的方向。我经常举的一个例子就是风力发电厂通过物联网大幅度降低运行信息共享的成本。现在很多风力发电机的设计制造厂商已经开始研究这个软件，如何根据设备运行状态进行故障预测和提供最及时的维修保障服务。
图5 物联网促使产品运行成本低信息共享
另一个例子是三一重工全球客户门户。三一有8万多台工程机械分布在全国各地。每台工程机械每隔10秒钟到2个小时将实时运行情况发送给三一总部的服务中心。服务中心可通过编号和GPS定位知道每台工程机械的位置和运行状态。一旦发现异常情况，输入查找半径就可以找到离出现异常情况的工程机械最近的服务车，通过电话、短信、邮件等方式通知服务车迅速赶往现场，及时提供维修服务，真正做到主动维修。
图6 三一集团全球客户门户
面向服务的维修制造活动是新型制造运行模式，具有以下特点：
●产品智能化：
计算机能够根据产品运行实际情况，用最佳的方式控制产品的运行，满足人类的最大需求。
●监控实时化：
廉价的信息传递技术使得产品运行状态监控失去了距离和空间的约束。掌握产品核心技术的开发商利用远程状态监控技术，实时掌握产品的运行状态，不断改进产品的质量，同时也发现未来创新的发展方向。
●服务主动化：
制造商利用自身的优势，通过状态监控，为产品提供及时的维修、服务和升级，不仅创造新的利润增长点，同时也是绿色制造的必然趋势。
图7 面向服务的维修制造活动
根据清华大学莫欣农教授在2013第九届中国制造业产品创新数字化国际峰会的发言整理而成，已经本人确认！
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