0 前言
大批量定制正在成为21世纪主流生产模式，它将批量生产和定制生产两种完全不同生产方式有机融合在一起，通过产品结构和制造过程的重组将定制产品的生产转化为批量生产。根据产品复杂性、用户个性化需求和客户订单分离点(CODP)的不同，大批量定制可以分为：按订单销售(Sale-to-Order，STO)、按订单装配(Assemble-to-Order，ATO)、按订单制造(Make-to-Order，MTO)和按订单设计(Engineering-to-Order，ETO)4种方式。对于不同的定制方式，可以采用不同的开发设计技术。ATO产品的特点是只需对现有组件进行装配操作，而不需构造新的组件，因此，由于ATO产品的低成本、短交货期、个性化产品功能愈来愈受到顾客的肯定，目前越来越多的产品开始实施按订单装配的生产方式。实现ATO生产方式的关键技术是产品配置设计方法，它是实现客户个性化产品快速响应定制设计的重要设计手段。因此，分析研究面向ATO产品的配置设计原理与过程对于提高企业以批量生产的低成本、高效益快速满足客户需求、设计个性化产品的能力有着重要的现实意义。
本研究主要探讨按订单装配型定制产品配置设计过程研究。
1 ATO产品配置设计原理
ATO生产方式是一种利用已有库存零部件配置成客户所需定制产品的生产方式。ATO产品是一个序列，具有标准化、模块化的设计，组成产品的零部件均是企业根据市场预测提前生产出来的，只有装配和销售活动是由客户订货驱动的，如计算机和轿车等。ATO产品的配置设计是在现有产品及产品组件的基础上根据客户订单需要，有针对性地选择组合产品组件的设计技术，可以将其看作在已知组件、配置知识、产品结构组成的基础上对符合客户个性化定制需求的产品进行求解的过程。ATO产品配置设计可以描述为：
Define of (Conf_Design_Result)=f(CRequests，R(FRequests，Product_comp)，Comp)(1)
式中 CRequests—客户需求；Comp—组件，是指具有一定功能的构件，除了零部件外，还包括电子元件、计算机程序、文档等；R(FRequests，Product_comp)—配置知识，表示如何根据客户的功能需求，在现有的产品结构及零部件组件基础上得到满足其个性化产品的规则，它是产品配置时选择组件的准则，是进行ATO产品配置设计的核心。
由于ATO产品中组件模块化程度较高，组件之间关联性相对其他类型产品简单。同时，ATO产品的配置组件集是一个完全限定集，集合元素不可变。因此，一般采用基于规则的方法来配置按订单装配的产品。基于规则的配置方法的优点在于配置知识的表达直观、自然，其推理过程与设计人员处理产品配置问题的思维类似，因此求解过程比较容易，易于通过推理获得所需定制产品。
大批量定制环境下ATO产品配置设计原理，如图1所示。销售人员在已有产品配置模型基础上，通过与客户的交流，将客户对定制产品的功能需求提取出来，并不断的将其输入到PDM支持下的产品配置系统中，然后利用配置规则根据客户需求选择组件配置出相应的个性化定制产品。对于一些比较复杂的定制产品，配置系统很难做到全自动工作，这时需要设计人员根据评价指标进行评估和修改获取想要的产品实例。这里的产品配置模型是指描述了一个可配置的，包括所有标准组件的模块化产品系统的组成情况，用户可以根据不同客户的要求，从中派生出客户的定制产品实例。对于许多产品配置系统还具有很好的图像显示能力，产品销售人员可以一边与客户交谈，一边向客户展示所配置的产品外形，使得客户对定制产品有更加直观的了解，可以提出更多的具体意见和建议。
图1 ATO产品配置设计原理
2 ATO产品配置设计过程
产品配置设计过程是为了完成确定的设计目标而进行的一系列逻辑相关的设计活动。为了详细研究ATO产品配置设计过程，本研究提出了将其设计过程分为3个阶段和5个域的方法，从而更好的分析研究ATO产品配置设计过程，实现ATO产品定制设计。
2.1 ATO产品配置设计过程的3个阶段
依据ATO产品配置设计原理，根据设计过程中面向对象的不同，从总体上可以将配置设计过程分解成获取客户需求、配置求解和输出配置结果3个阶段。在以PDM为基础的产品配置系统的支持下ATO产品配置设计的3个阶段，如图2所示。
图2 ATO产品配置设计过程的3个阶段
(1)获取客户需求。销售人员或市场人员通过对话、电话访问、学习型营销和网络技术了解客户需求等，然后通过变量条件、有效性原则等，将客户的技术要求或性能说明等需求转化为配置系统可识别与可推理的表达方式或参数。
(2)配置求解。产品配置系统利用系统建立的基于规则的决策系统及推理机制，结合ATO产品配置模型对用户输入的定制数据进行运算求解，选择并确定组件及组件之间的配置关系，并保证产品的合理性。同时对组件在产品中的有效性和对客户要求的满足度做出评价。
(3)输出配置结果。配置系统根据部门的不同，如设计、制造等对产品信息需求的角度不同，输出多种类型的BOM供其使用。同时，将配置结果及配置过程存入数据库以备后用。
2.2 ATO产品配置设计过程的5个域
在ATO产品配置设计过程3阶段的基础上，结合公理化设计理论，根据产品配置过程中使用数据的不同，可以将配置设计过程中所有数据信息分成5个域：客户域(Customerdomain，CD)、功能需求域(FunctionalDomain，FD)、设计参数域(Design ParameterDomain，DP)、物理组件域(Physical ComponentDomain，PD)、评价域(Estimate domain，ED)。这5个域之间在ATO产品配置设计过程中的关系，如图3所示。
图3 ATO产品配置设计过程的5个域及其关系
(1)客户域(CD)。客户域是在广泛调研的基础上针对细分市场，根据客户需求和客户特征对潜在客户或已有客户进行分类的客户信息。它描述的是细分的客户群，组成元素是某一类特定客户群。客户域可以表示成如下形式：CD={CD1，CD2，…，CDi，…，CDn}，其中，CDi为该产品所面向的某一特定客户群，其中定义了客户群名称、编号、特征以及客户需求等。例如：在计算机配置设计中，设计人员将客户群大致分成以下几类：商用客户群、家庭娱乐客户群、网吧客户群等。定义客户域最大的作用在于可以根据客户需求来选择需要定制的功能，并快速地寻找所需要的配置模型，有针对性的进行配置。同时在对配置结果进行评价时，根据CDi中定义的客户需求的顺序给各个指标赋予相应的权重。
(2)功能需求域(FD)。功能需求域是描述客户或销售人员需要何种功能以及需要的功能强度的集合。它的依据主要来源于两个方面：市场调查和对已有产品的分析。功能需求域通常是描述一个产品族全部功能的元素集合，它可以表示成为以下形式：FD={FD1，FD2，…，FDi，…，FDn}，其中，FDi描述的是产品的一项独立的子功能，该功能与其他功能无相关性。例如：计算机的功能需求域中常见的有：价格需求、性能需求(包括运算速度、容量)、重量需求、颜色需求、品牌需求等众多需求。
作为产品配置设计的驱动源，定义合理的功能需求是配置设计成功的最基础的条件。功能需求域是为了准确地获取客户需求，并将客户需求通过某种确定性的方式准确地描述出来而建立的。在配置过程中，将模糊性的、多层次的、动态的信息通过以上定义将客户需求完整的描述出来。
(3)设计参数域(DP)。设计参数域是在进行产品配置设计过程中描述产品所有属性的设计参数的集合。与功能需求元素相互独立不同，设计参数之间往往存在一定关联性，有时甚至是全相关的。例如：在计算机配置中，主要的设计参数有：CPU运算速度、内存容量、硬盘容量、颜色、显存容量等。设计参数的取值一般是设计人员选择组件最重要的依据。设计参数域可以表示成如下形式：DP={DP1，DP2，…，DPi，…，DPn}，其中，DPi为某一设计参数，可采用如下形式定义：
Define of(DPi)={m_name，m_id，m_units，m_range，m_value}
其中，m_value与功能需求域FD之间存在着密切关系，一般是通过定义函数方法得到具体值，即DPi(m_value)=fi{FD1，FD2，…，FDn}，有时往往具体值是非数值形式的。配置之前该值为NULL。
(4)物理组件域(PD)。物理组件域是定义配置模型中物理组件的集合。物理组件域是产品族最广泛的组件集合，具有明确的指向性。物理组件域可表示成如下形式：PD={PD1，PD2，…，PDi…，PDn}，其中PDi为某一组件的定义，本研究中物理组件元素通常以3种形式存在：①以元件的形式存在。它是组成产品结构的最基本的单元，例如机械产品中的零件、软件中的某个类；②以组合件的形式存在。它是由多个产品元件构成，具有某一特定功能的组件，例如汽车上的变速器、软件中的类库；③虚拟组件。它除了名称、编号没有其他内容，没有实际意义，只是为了描述某些组件关系，降低设计复杂性。
(5)评价域(ED)。评价域是为了评价配置结果的基型而设定的全局性指标集合。它通常由配置产品的成本、采购时间、生产时间、交货期、性能等指标组成。评价域可采用如下形式表示：ED={ED1，ED2，…，EDi，…，EDn}，依据配置开始时所选择的客户域中的客户群元素来确定各个指标的权数，然后计算平均的评价权数来评价配置产品的客户需求的满足度。例如：在计算机产品配置中，评价域表示如下：ED={Cost，Time_to_Market}，其中，Cost={Cost_evaluate，ed001，Min，*.costadded up，units=RMB}。该定义表示每次配置结束将配置结果的成本相加，取其中成本最低的作为最终结果。
在给定其他功能需求的情况下，对客户需求进行了求解，理论上配置结果应该是完全满足客户需求的。因此，只需对其他全局性因素做出评价即可，评价过程是通过选定的组件的属性进行运算得到，如上例中叠加成本。
销售人员或设计人员通过与客户的沟通交流获得定制产品功能需求之后，由功能需求向物理组件域映射得到客户定制产品结构组件的关系，如图4所示。从图中可以看出，从功能需求域到物理组件域是采用间接映射的方式，即先从功能需求域到设计参数域，然后由设计参数域到物理组件域，从而最终获得构成满足客户个性化需求的定制产品的物理组件。
图4 产品功能模型到产品结构模型的映射关系
2.3 ATO产品配置设计的域作用机制
ATO产品配置通过域及域与域之间的映射实现了配置设计知识表达和数据传递，为了保证数据传递的畅通性、正确性，必须建立一套机制。下面从整个配置设计流程对域与域之间的相互作用作进一步研究，具体的域作用机制，如图5所示。
图5 与配置设计流程相对应的域作用机制
(1)确定客户类型。从整个配置设计流程看，客户域是配置活动的开始。首先确定客户域中客户群元素。选择何种客户群元素取决于当前客户与域内客户群元素的特征匹配情况。如果当前用户特征与某个客户群元素的特征相符，那么客户确定为该客户群元素。例如在仪表配置过程中，目标客户是炼油企业，它的特征与石化行业的特征相符，该客户就被确定成石化客户群元素。
一旦确定了客户群元素，通过映射就确定了功能需求域中功能需求类型(确定何种需求)，同时还确定了评价域中各评价指标的权重。这一过程是通过分析目标客户，根据它的应用特点确定需求类型和关注重点，以便配置设计活动有针对性的展开。
(2)确定客户需求。确定了客户需求的类型后，接下来确定客户对产品功能具体要求(确定需要何种程度需求)。通常工作人员可以通过市场调研、直接拜访等方式获取客户对产品的功能需求(如多大功率、多大的外形等)。
从配置设计过程中数据传递的角度，客户需求开始由数据链从外部输入到内部，并对功能需求进行具体赋值。例如，在计算机配置中，目标客户对键盘颜色提出具体要求。这里需要注意的是：在不能获取全部客户需求时，比如在营销阶段，常得到非完全确定性客户需求，可取功能需求元素的默认值。
(3)求解设计参数。确定了功能需求种类以及具体功能参数值，就可以开始对设计参数域进行求解。当客户需求为非确定性需求时，选择默认值功能需求值进行赋值求解。这一求解过程将不定方程转化为定方程，将原有不确定性多个解转变成单一正确解。此方法虽可提高运算效率，但必然会减少正确解的个数，求得的设计参数也未必是最佳设计参数解。在非完全确定需求的条件下，通过多次循环，未必获得最佳解，但一定可获得较优解。
(4)判断规则，选择组件。求解出设计参数之后，对配置规则中的设计参数进行赋值，判断规则的条件真伪，并执行相应的结论。通过匹配设计参数域与配置规则，进行推理判断，根据前提选择结论对物理组件的状态进行赋值。
(5)获取初次配置结果。然后判断物理组件域中物理组件的状态来获取产品配置组成。如果客户需求是全确定的，这一配置组成是唯一解；更多的情况是客户需求非完全确定，那这一配置解是其中一个正解。后者的情况，产品必须进行再配置，配置过程与前一次类似，唯一的区别是对非确定需求重新赋值(一般取其他默认值)，再次求解。
(6)循环配置，确定较优解。评价域依据评价指标中的方法将配置结果的属性、客户域的权重进行计算，获得评价指标值。多次赋值、多次求解、多次配置、多次评价，最后比较各个配置结果的评价指标值来获取较优的配置结果。由于ATO产品功能、组件相对较为确定，通过功能需求的默认赋值求得最优解的可能性非常高；同时，这一方法又可大大简化配置求解过程，将不定方程转化为多个定方程来处理，具有一定的实用价值。上述流程可以基本保证域与域之间的数据传递的有效性和准确性。尤其是评价域与功能需求域之间的数据反馈，为求得较优解提供了条件。
3 结束语
产品配置设计是实现大批量定制环境下按订单装配产品的核心支撑技术。本研究在给出ATO产品配置设计概念和基本原理的基础上，提出了将其设计过程分为3个阶段和5个域的方法。通过对ATO产品配置设计过程的分析研究，有利于企业更好的掌握其设计规律，增强配置设计过程的规范性和智能性，提高产品设计速度和设计质量，进而增强企业对市场的快速响应能力，实现满足客户个性化需求的ATO产品定制设计。
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本文标题：按订单装配型定制产品配置设计过程研究
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