收稿日期：2018－04－02
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51775517，51522501)；河南省科技创新人才计划项目(184100510007)；河南省产学研合作计划项目（172107000019）
0引言
我国的制造业目前整体上呈现“大而不强”、
低端制造产能过剩、高端制造创新与供给不足、环境问题日益恶化等局面，传统制造业的不可持续性仍非常显著。为此，2015年《中国制造2025》明确提出“推动生产型制造向服务型制造转变，从主
要提供产品制造向提供产品和服务转变”。德国西门子股份公司、瑞士ABB 有限公司、美国通用公司以及国内的陕西鼓风机（集团）有限公司、杭州杭氧股份有限公司等一流制造企业，剥离外包非核心业务并专精于核心业务，从传统的以单纯销售物理产品，向客户提供“产品服务系统”的整体解决方案转变［1⁃2］。产品服务系统（product⁃r⁃vice systems ，PSS ）是一种向消费者提供面向生命周期的个性化“物理产品和/或服务”整体解决方案，其目的是通过向用户提供个性化的产品和增值服务来实现产品的价值增值、服务增效与可持
面向大规模个性化的产品服务系统模块化设计
李
浩1
陶
飞2
文笑雨1
王昊琪1
罗国富1
1.郑州轻工业大学河南省机械装备智能制造重点实验室，郑州，450002
2.北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，北京，100191
摘要：提出了面向大规模个性化的产品服务系统（PSS ）模块化设计框架，通过物理与服务的内部模块组合，实现客户需求的大规模、个性化、低成本与快速提供。论述了大规模个性化与大规模定制模式的区别，归纳总结了面向大规模个性化的PSS 模块化设计研究与应用现状，分析了面向大规模个性
化的PSS 模块化设计基本特征与实现模式，提出了面向大规模个性化的PSS 模块化过程与方法。这一系统归纳的面向大规模个性化的PSS 模块化设计框架与方法为产品的大规模个性化设计和产品服务系统模块化设计提供了理论参考。
关键词：大规模个性化；产品服务系统；模块化设计；配置设计；供应链设计中图分类号：TP391.7
DOI ：10.3969/j.issn.1004⁃132X.2018.18.006
水果拼盘图片大全大图开放科学(资源服务)标识码(OSID)：
Modular Design of Product -rvice Systems Oriented to
Mass Personalization
LI Hao 1
TAO Fei 2
WEN Xiaoyu 1
WANG Haoqi 1
LUO Guofu 1
1.Henan Key Laboratory of Intelligent Manufacturing of Mechanical Equipment ，
Zhengzhou University of Light Industry ，Zhengzhou ，450002
2.School of Automation Science and Electrical Engineering ，Beihang University ，Beijing ，100191Abstract ：A modular design framework of PSS oriented to mass personalization was propod.Through the combination of internal fewer modules of products and rvices ，personalized customer de⁃mands might be realized in ways of large scale ，low cost and fast speed.The differences between mass personalization mode and mass customization mode were discusd ，the rearch and application status of PSS modular design oriented to mass personalization were summarized ，the basic features and realiza⁃tion modes of modular design of PSS oriented to mass personalization were analyzed ，and the PSS modu⁃lar process and methods were put forward.The propod design framework and methods of PSS modu⁃lar design oriented to mass personalization provide a theoretical reference for the mass personalization de⁃sign and the PSS modular design.
Key words ：mass personalization ；product⁃rvice system （PSS ）；modular design ；configur
ation de⁃sign ；supply chain
design
第29卷第18期2018年9月
中国机械工程
CHINA MECHANICAL ENGINEERING
Vol.29No.18
pp.2204⁃221424韵母表
·
·2204
面向大规模个性化的产品服务系统模块化设计——李浩陶飞文笑雨等
续发展，形成“互联网+产品+服务”的生态系
统［3⁃6］。当前，针对PSS的研究与应用是国际学术界和产业界的热点，也是传统制造企业转型升级的主要发展方向［1，6］。
近年来，随着全球化市场竞争、客户需求的个性化与多样化等日益强烈，产品制造日益呈现出个性化和小批量等特征，大规模个性化时代已经到来。2010年，TSENG等［7］提出了大规模个性化的概念。大规模个性化是通过大规模生产，在产品或者服务生命周期内向用户提供独一无二的产品或服务
体验来满足客户的个性化需求，实现真正意义上的用户独特的功能、服务或价值体验［7⁃8］。2014年4月，第24届CIRP（The International Academy for Production Engineering）产品设计国际会议的
会议主题为“大规模定制与个性化”，将大规模个性化的研究推向了领域前沿。2016年8月，在第12届设计与制造前沿国际会议上，HU等［9⁃10］提出了“open product”设计，即为产品大规模个性化设计。
PSS和大规模个性化已成为当前及未来一段时期重要的产品与服务提供模式。基于此原因，本文将研究面向大规模个性化的PSS模块化设计方法。分析大规模个性化与大规模定制模式的不同，归纳总结面向大规模个性化的PSS模块化设计基本特征与实现模式，提出面向大规模个性化的PSS模块化过程与方法。
1大规模个性化模式与大规模定制模式制造工业经历了一系列变迁，从手工制造时代
到大规模生产时代，再到大规模定制时代（见图1）。产品制造模式（即产品变型）从低产量多变型、小批量少变型、大批量少变型发展到小批量多变型（大规模个性化）。然而，大规模个性化生产模式也亟需新理论和技术的支撑，在此情况下，大规模个性化和3D打印等理念或技术应运而生［7，11］
。
图1制造模式变迁演化历程［9］
Fig.1Evolution periods of manufacturing mode［9］
3D打印是一种基于数字模型文件，将粉末状金属或塑料材料进行高温熔化叠加增材的生产方式［11］。3D打印可以实现客户参与的完全个性化设计，但由于其加工方式特殊，其材料和应用范围具有一定的局限性。在大规模数量需求下，其生产效率和产能与传统的减材制造方式相比较为低下，因此，在当前及未来较长的一段时期内，传统的减材制造方式仍占据核心地位。
在传统的减材制造模式下，针对传统产品和PSS设计的相关研究，主要是一定批量的大规模定制生产方式下的设计开发，在功能建模、开发过程、方案设计、配置设计、产品平台等方面取得了一系列进展［12⁃18］。大规模定制模式是一种以大批量生产的低成本、高质量和高效率提供定制的产品与服务的生产方式，为PSS的大批量快速实施提供了基本原理和技术支撑［19⁃20］。然而，大规模定制并不是真正意义上的个性化，而是针对特定细分市场的批量大规模生产，不能真正体现出每个用户独特的个性需求与服务体验［21］。大规模个性化与大规模定制在面向细分市场、用户需求、设计
高中诗词必背类别
大规模个性化大规模定制
细分市场
某一个客户
某一群体（数量
大于1）
设计空间
模块化架构具有自
适应性和可变性
固定预设计的模块
化架构
用户需求
隐形的需求：在物理产品功能模块变型
基础上，强调通过服务、美学和其他认知来
实现用户独特的体验感受
显性的需求：主要通过物理产品的预先
设置的模块变型组合
用户参与深度
参与个性化模
块的设计
选择适合自己
的模块
设计指标
技术性指标+
个性指标+服务
体验指标
技术性指标表1大规模定制与大规模个性化设计的区别［7,9,20⁃21］
Tab.1Differences of mass personalization and mass customization［7,9,20⁃21］
空间、用户参与深度和设计指标等方面存在着较大的区别（见表1）。
在面向大规模个性化模式下的PSS提供中，PSS主要提供类型包括面向产品的PSS、面向使用的PSS和面向结果的PSS，能针对不同类型的用户个性化需求提供不同的解决方案［3⁃4］。PSS的个性化与服务多变性必然造成企业在管理、设计制造、供应和实施等环节成本的大幅增加［22］。模
·
·2205
中国机械工程第29卷第18期2018年9月下半月
块化是一种降低运营成本和增加PSS效能，兼具个性化与大规模生产，实现用户需求快速供给的有效途径［21，23⁃26］。
基于表2的分析，面向大规模个性化PSS与传统PSS的模块化设计在研究目标、个性化程度、参与方、模块化粒度、系统复杂度和设计难度等方面均存在较大不同。大规模定制模式下的模块化设计研究，模块化方案规划、配置设计机制、模块化产品架构、模块和关键参数都是保持固定和预先设计情况下开展面向细分市场的配置设计，并不能实现客户一对一的大规模个性化需求［7⁃10］。因此，面向大规模个性化PSS与传统PSS的模块化设计存在较大不同。
基于以上论述与分析，研究大规模个性化生产模式下PSS模块化设计理论框架体系，通过物理产品与服务内部模块的快速组合，实现客户需求的大规模、个性化、低成本与快速提供。这是本文的出发点。
表2面向大规模个性化PSS与传统PSS的模块化设计的区别
Tab.2Differences of modular design between PSS oriented to mass personalization and traditional PSS
PSS类别传统PSS
面向大规模个性化的PSS
研究目标
不同类型产品与服
务的集成提供
客户需求完全个性
化的PSS提供，同时
考虑生态环境效益
个性化程度
大规模定制模
式，某一细分市场
群体的个性化
客户个体的个
性化、客户极致体
验
参与方
设计者、服务提
供者、客户（选择
定制）
设计者、服务提
供者、客户（参与
设计）、环境因素
模块化粒度
较细（细分市场
级的模块化）
更细（客户级模
块化，支持用户设
计个性化模块）
系统复杂度
80大寿祝寿词简短经典较复杂
更复杂（更多参与
方，模块化指标更
多，用户个性化设计
导致模块数量大幅
度增加）
设计难度
物理产品与服务之间
校园三剑客的复杂交互关系及集成
提供
大规模个性化、可靠
性与模块化多目标冲突
与消解、用户个性化模
块与系统整体成本优化
设计等
2面向大规模个性化的PSS模块化设计研究与应用现状
2.1PSS模块化设计研究进展
PSS模块化设计是由一系列物理模块与服务模块的优化配置来完成的。物理模块是具有某种确定独立功能的半自律性的子系统，它可以通过标准的界面结构与其他功能的半自律性子系统按照一定的规则相互联系而构成更加复杂的系统。服务模块是一种功能独立的有形服务或无形服务的抽象体，通过物理模块和服务过程的互动来实现服务的功能。
在PSS模块化设计领域，2006年，AURICH 等［23］首先提出了PSS的模块化设计框架、原理和配置设计方法；建立了实现技术型PSS模块化原理，提出通过一个过程库来设计和制造技术型PSS［26⁃27］。2011年，TUUNANEN等［28］通过2个案例验证了服务过程的模块化设计，能使服务过程族得到重用并组合出客户满意的服务产品。GENG等［29］提出一种新的PSS概念化设计方法，它包括建立用户任务模型、功能模型以及概念化服务蓝图。董明等［30］提出一种基于本体的模块化建模和配置方式，在面向配置的整体产品建模中，采用可达矩阵方法对服务要素进行模块划分，提出基于元本体的PSS配置设计方法。WANG 等［31］提出了一个面向PSS的并行模块开发框架，采用质量功能矩阵方法与Portfolio技术实现了面向PSS的模块化开发。2012年，GEUM等［32］提出一个基于质量屋的服务模块化框架和服务集中的模块化方法，他将服务分解为3个维度：服务过程、服务结果和服务的先决条件，并采用聚类分析法实现了模块识别。2013年，LONG等［33］考虑客户需求，提出了基于支持向量机的PSS配置模型。为了提高PSS的实施效能，SHIKATA等［34］提出了采用模块
化产品架构的方法扩展多样化的服务以增加产品的附加值。2014年和2015年，宋文燕等［35⁃36］提出了基于工业服务蓝图的服务模块识别方法，利用基于模糊树理论的模块化构建方法得到不同方案；并提出了基于粗糙近理想解法的服务方案决策模型。同一时期，李浩等［24，25，37⁃41］在集成服务型产品和广义产品的模块化方面做了较多研究，建立了广义产品模块化过程总体模型，提出了一个三阶段的交互式集成服务型产品模块划分方法，并采用质量屋法来评价广义模块之间的一致性，确保模块划分的合理性与一致性；通过提出功能性服务的概念理清了物理模块与服务模块的交互关系，建立了广义产品模块化主结构和实例结构模型，实现了物理模块与服务模块的有机融合。
学者们针对集成服务型产品（即面向产品的PSS）、广义产品和PSS等对象进行了模块化设计
··2206
面向大规模个性化的产品服务系统模块化设计——李浩陶飞文笑雨等
相关研究，并在物理与服务模块关系、模块识别与划分、模块描述与建模、配置设计等方面做出了一系列开创性成果。但是，目前针对PSS的研究没有解决物理模块与服务模块数量关系这个难题。
2.2大规模个性化的研究进展
大规模个性化设计的目标是提高用户体验和参与度的同时仍保持后端的生产效率，这是近几年的研究
热点。TSENG等［7］和ZHOU等［8］提出了面向大规模个性化设计的技术架构，该架构包括产品设计、过程设计和供应链设计等步骤，分别通过产品平台、过程平台和供应链平台来实现，归纳了大规模个性化设计的典型特征：用户体验、产品变化和协同创造，分析总结了面向大规模个性化的情感和认知设计的关键维度［8］。MURTHI 等［42］提出了一个个性化设计的体系框架，包括个性化实现关键阶段：识别客户偏好、匹配客户需求、识别和匹配过程评估。为了推动大规模定制向大规模个性化转变，REIß等［43］提出采用电子商务服务的方式来实现大规模个性化；KUMAR［44］提出了推动大规格定制向大规模个性化转变的关键因素，如客户/市场共享、IT技术等；也提出了一个采用效率指标来测量大规模定制与个性化效率的方法［45］。为了将客户行为施加到个性化的产品与服务上，ADOMAVICIUS等［46］提出了一个基于迭代反馈的个性化提供过程，主要包括3个阶段：理解客户需求、投递个性化产品和测量个性化的影响。
针对大规模个性化设计的研究目前还处于起步阶段，TSENG和JIAO课题组对面向大规模个性化设计的技术架构进行了较多研究。大规模个性化设计容易导致模块数量失控和成本大幅增加。为了控制成本和实现高效率提供，模块化设计原理是必不可少的基本支撑手段，目前未见面向大规模个性化的模块化PSS系统的相关报道。
在大规模个性化提供模式下，PSS主要矛盾冲突转移至系统内部和系统外部冲突上。系统外部体现为个性化和可靠性，利益对象是客户；而系统内部因素是模块化度、低成本，利益对象是PSS 提供商。
如何平衡系统内部和外部因素，探索多目标之间的冲突消解机制，使得客户和制造商的满意度均最大化和双赢才是PSS系统个性化设计的最终目标。
学习棒3面向大规模个性化的PSS模块化设计基本特征与实现模式
3.1面向大规模个性化的PSS模块化设计基本特征
表3为面向大规模个性化的不同类别PSS模块化特征分析，分别从模块组成、模块类别的变化、用户决策关注点、设计优化目标和个性化体现形式等方面进行了分析。值得说明的是，不同类型的PSS在模块组成和配置设计时模块类别等方面存在较大不同，见表3。在模块组成上，面向产品的PSS需提供给用户物理模块和相应的服务模块；对于面向使用的PSS，有的特殊产品，为保证租赁后的产品能有效运行，还需要提供相应配套模块。配套模块为一种特殊的模块，主要是为保障面向使用的变压器和面向结果的PSS能正常运行而必选提供的，但这些模块在面向产品的PSS提供时仅为可选模块。以变压器为例，在面向使用的变压器提供时，用户主要购买变压器及其配套服务的使用权，即租赁变压器。此时，高低压开关控制柜变为必选模块，必须要配套才能完成变压服务；但在面向产品的变压器销售时，高低压开关控制柜是可选模块。在面向结果的变压器提供时，部分服务模块如回收服务、金融租赁服务等不再提供。
表3面向大规模个性化的不同类别PSS模块化特征分析
Tab.3Analysis of modular characteristics of different types of PSS oriented to mass personalization
PSS类别
面向产品的PSS
面向使用的PSS
面向结果的PSS
模块组成
用户：物理模块、配套模块、服务
模块
制造商：物理模块+服务模块
用户：物理模块+配套模块、部分
服务模块
制造商：物理模块+配套模块+
服务模块
用户：服务模块
制造商：物理模块+配套模块+
服务模块
配置设计时模块
类别的变化
基本模块、必选模块、可选
模块，其中配套模块为可选
模块
配套模块和部分服务模块
变为基本模块，部分服务模
块不再使用
少量基本模块、必选模块、
可选模块
用户决策关注点
关注大多数物理
模块，产品生命周期
的服务模块
关注核心物理模
块和服务模块
主要关注服务质
量与体验
设计优化目标
产品性价比高，
产品生命周期服务
便捷。
性能价格比高，
可持续性好
服务体验好，可
靠性高
个性化体现
形式
个性化物理产品、个
性化的服务模块、个性
化的服务投递
个性化的物理产品功
能，独特的服务体验
独一无二的服务体验
·
·2207
中国机械工程第29卷第18期2018年9月下半月
3.2PSS大规模个性化的实现方式
PSS大规模个性化的实现可以从4个视角来
分析，见表4。分别从PSS类别、PSS提供维度、
PSS提供阶段和PSS模块类别等不同视角进行个
性化实现方式分析。在用户根据自己的个性化需
求选择产品类别时，可选择3种不同的模式来实
现：面向产品的PSS、面向使用的PSS和面向结果
明星签名
的PSS，实现了一定程度上的类别个性化；在PSS
提供阶段，可以提供个性化物理产品、个性化服务，
也可以通过个性化供应链；在PSS产品设计阶段，
可通过个性化的物理模块、个性化的服务模块或者
两者集成提供来实现PSS的产品设计个性化。
表4PSS的个性化实现方式
Tab.4Ways of realization of personalized PSS
视角
PSS类别PSS提供维度
PSS提供阶段PSS模块类别
PSS的个性化实现方式
面向产品
的PSS
物理产品
个性化
设计
物理模块
日本国籍
面向使用
的PSS
服务
个性化
制造
服务模块
面向结果
的PSS
供应链（过
程个性化）
投递服务运行
基于对PSS个性化实现方式的分析，PSS模块化设计的个性化可从4个方面展开。①广义需求（含功能需求、性能需求、个性需求和可持续需求等）获取的智能感知，通过历史记录、信息系统实时监测等手段来分析判断用户的独特需求品味和特征，智能感知有一定的不确定性和提前预知性。②具有可变性和自适应性的PSS产品族架构。在大规模个性化设计阶段，必须依靠产品平台才能实现其大规模批量化和低成本化，而产品族架构规划是基于产品平台的PSS模块化设计的核心。传统产品族架构所规划的产品模块化设计机制、模块化产品架构、基本模块和关键参数等都是保持固定和预先设计情况下开展面向细分市场的设计，而在大规模个性化生产模式下，PSS模块化产品族架构应具有可变性和自适应性，以支持用户的个性化需求和不同类别PSS的模块化实现。③PSS的个性化自适应配置设计。当感知到客户的个性化特征后，可通过自适应配置设计出一系列个性化的产品与服务模块组合来满足用户需求；同时，在配置设计过程中，支持PSS个性化模块的情感认知再设计，以满足用户的个性化需求与体验。④PSS的个性化提供过程。配置和提供的产品是满足用户需求的，可能是独一无二的，也可能是与其他用户一样的，但可通过投递过程来实现提供过程的个性化，而模块化是实现个性化的基础。
4面向大规模个性化的PSS模块化过程与方法
4.1面向大规模个性化的PSS模块化过程建模方法
面向大规模个性化的PSS模块化建模过程主要分为PSS模块化方案设计与规划、PSS模块化配置设计和PSS模块化实现3个步骤（见图2）
。
图2面向大规模个性化的PSS模块化过程
Fig.2Modular process of PSS oriented to
mass personalization
在PSS模块化方案设计与规划阶段，通过对大量客户需求和可持续性需求的获取，对不同类型的PSS进行方案设计、模块划分与模块设计，形成一系列物理与服务模块；并对PSS产品族架构进行规划，建立PSS产品平台。在PSS模块化配置设计阶段，根据某客户的需求，进行个性化推荐和体验，建立PSS模块化实例结构，并对个性化模块进行情感认知再设计，使得配置后的PSS尽可能满足部分客户的独特需求。在PSS模块化实现阶段，首先是模块的智能制造阶段，通过对物理模块和功能性服务所需要配套的物理模块进行智能化的制造，让用户可追踪和体验个人定制产品的制造过程，使用户获得制造过程的独特体验。在
··2208
