复杂产品系统技术创新（共8篇）
复杂产品系统技术创新 篇1
复杂产品系统 ( Complex Products and Systems, 简称Co PS) 是一类与规模化产品在市场行为、产品特征等方面有明显不同特点的产品, 指一些研制成本较高的、技术密集型的、客户有特定需求的小批量或者单件产品、生产资料和服务等, 如智能的交通系统等[1]。Co PS的创新能力是衡量一个国家整体创新能力及国际竞争力的主要标志[2]。Co PS的研发成功能导致内嵌技术应用于其他产业, 甚至能引起产业链的升级。
针对Co PS的特点, 一些学者从不同的角度研究了Co PS创新模式, 提出了环生命周期模型[3]; 虚拟组织开发模式[4];基于项目的组织模式[5]等多种开发模式, 但随之引起了一些学者的争议[2,6]。复杂性是Co PS的典型特征, 由于Co PS的系统复杂性及技术密集性等特性, 在其设计和制造过程中往往会有些无法预测的事件发生, 是影响Co PS创新成败的关键因素。因此, 将复杂性测度纳入到复杂产品系统创新中是非常必要的。
一、Co PS复杂度
复杂度是指引起Co PS创新困难和不确定性的技术和组织复杂性程度。由于Co PS的复杂性, 使得Co PS创新成功率很低, 引起延期交货, 成本上升, 可靠性低等诸多问题。一些学者从不同领域对复杂性及其度量方法进行了研究。Kim and Wilemon[7]将产品复杂性分为技术复杂性 ( 包括技术综合度、创新数量、功能数量等) 和组织复杂性 ( 包括人的因素、过程和使用的工具等因素) 。Shinner认为复杂性包括元素的有序度和无序度[8]。Gokpinar[9]认为复杂度包括系统中元素的数量及其之间的关系结构, 并将复杂性作为产品结构进行评估。这些研究大都针对产品创新完成后的复杂度评估, 但这时风险已经发生。Co PS创新是一个系统工程, 通常是由许多高度特化的、相互联系紧密的、不同技术领域的组分集合而成, 其性能高度依赖其组分及其集成结构, 如果在创新的规划期, 将Co PS创新复杂度纳入规划的范围, 预测各阶段和组分的复杂度并进行预先的干预, 可以极大地减少风险的发生概率。
二、Co PS创新系统结构
为保证企业在经营过程中, 尽可能降低生产投资风险, 就必定要对企业的复杂产品系统进行深入的探讨研究。Co PS创新结构系统图如图1 所示。Co PS创新很难由一个企业单独完成, 一般由核心企业 ( 项目的组织者) 和众多的技术供应商组成。核心企业首先对Co PS创新的技术需求进行分析, 形成技术缺口清单, 然后会采用技术合作、外包等形式从外部寻求技术支持。在技术研发过程中, 核心企业和技术供应商以及技术供应商之间不仅仅是供应和需求关系, 经常性的合作、交流及信息反馈是他们之间关系的典型特点。此外, Co PS创新还受外部环境的影响, 如政府的政策、国际经济形势等。
三、基于复杂性的Co PS创新模式
基于图1 的创新结构, 建立了如表1 所示的基于复杂性的Co PS创新模式。
Co PS创新复杂性可分为技术复杂性、组织复杂性和外部环境的复杂性。技术复杂性包括核心企业以及各类技术供应商所提供的研发技术本身的复杂性, 还包括集成阶段的集成技术的复杂性。组织复杂性既存在于各组织本身, 还存在于组织之间关系的复杂性。环境复杂性体现了技术经济环境的不确定性对Co PS创新的影响。与一般的Co PS创新模式相比, 增加了复杂度测量和风险评估两个环节, 并在其它环节增加了复杂度相关内容。即在项目规划和研发期始终高度重视项目各环节的复杂度及其风险, 最终降低项目研发的整体风险。
摘要：复杂产品系统创新成功能推动多个相关产业的发展及产业链的升级。但其开发涉及多个技术领域, 成本高而研制周期长, 风险极高。本文将复杂性测度纳入到复杂产品系统创新中, 建立了一套基于复杂性测度的创新模式, 通过定量化创新中技术复杂性和组织复杂性, 分析其在创新中的传递过程, 预测创新风险, 以期能提高创新成功率。
关键词：复杂产品系统,复杂性,创新模式
参考文献
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[5]Hardstone G.A.P.Capabilities, Structures and Strategies Re-Examined:Incumbent Firms and the Emergence of Complex Product Systems (Co PS) in Mature Industries[J].Technology Analysis and Strategic Management, 2004, 16 (2) :173~196
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[9]Gokpinar.B., W.J.Hopp and S.M.R.Iravani.The Impact of Misalignment of Organizational Structure and Product Architecture on Quality in Complex Product Development[J].Management Science, 2010, 56 (3) :468~484
复杂产品系统技术创新 篇2
关键词：复杂配线系统；绝缘缺陷；脉冲火花放电；时域反射
引言
载人航天器、商业客机一旦出现事故，将难以救助，其造成的社会影响力远大于地面、水面运载工具的事故影响力。同时，由于航天器、商业客机的造价远大于地面运载工具，发生事故后发生的经济效应非常严重，如1998年瑞士航空公司一架客机因电线着火失事，最终造成了公司破产。航天器、飞机上有非常复杂的通信、电力系统，在高空紫外辐射环境下，特别是对于航天器的飞行环境，宇宙高能射线会加速系统绝缘的老化，导致绝缘缺陷。及时诊断绝缘缺陷，以解决安全隐患，对于保证航天器、飞行器的安全具有非常重要的意义。
传统的检测方法
时域反射法(TDR)是一种远程电子测量技术。它最早被应用于电力和通讯工业上，用于确定通信电缆和输电线路的故障与断裂。其所采用的基本原理是“脉冲发射”法。根据传输线理论，在有限电缆的一端发送一个探测脉冲，它就会沿着电缆线路进行传输，如果线路正常且终端负载阻抗等于线路的特征阻抗时，发射脉冲被负载吸收而无反射回波产生：如果线路有故障时，故障点的阻抗不再是线路的特征阻抗，从而将产生反射回波，其反射系数定义为反射波幅度与入射波幅度的比值。当线路发生断线等故障时，故障点的阻抗即为负载阻抗，通过测量出的反射系数，计算出负载阻抗的大小，再依据传输线的特征阻抗，就能够分析出故障的性质。同时，通过测量发射脉冲和反射脉冲之间的时间间隔，可以计算出测量点与故障点的实际距离，从而精确定位。
在进行TDR测量时，必须处理TDR波形中的多次反射问题。被测装置如果具有若干阻抗层，这种多次反射就会使TDR示波器上的图像严重失真。对于由同轴电缆、金属屏蔽层和周期性的用节点和系带捆绑在一起的双绞线组成的复杂配线系统，存在沿导线长度方向的高度不均匀阻抗特性，这时就不适宜采用时域反射法进行绝缘缺陷的诊断与定位。
局部放电是绝缘介质内部发生的局部重复击穿和熄灭现象，这种放电一般发生在电缆的局部缺陷处，放电量很小，在放电初期基本不会影响电力电缆的绝缘能力，但如果这种放电长期发生，则会逐渐的损坏电缆的绝缘，缩短电缆寿命。
由于局部放电时，电缆的绝缘电阻、介质损耗和泄露电流都不会有太大变化，因此，检测以上参数是无法判断出局部放电的。但在绝缘发生局部放电的时候，一般都会产生电脉冲、电磁波放射、光、热、声等现象，基于对这些现象的研究，局部放电检测技术中相应出现了电检测法和光测法、声测法、红外热测法等非电量检测方法。
在目前市场上，电测法仍是局部放电检测中最重要的手段，其中的脉冲电流法已经很成熟，由于其检测灵敏度很高，且容易进行放电量校准，但是，由于其易受到外电路的电磁干扰，使其灵敏度大大下降，在现场环境中，脉冲电流法应用并不很多。超高频检测法是近年发展起来的新型局部放电检测方法，具有频带高、灵敏度好、抗电磁干扰能力强等显著优点，被认为是最有潜力的局部放电在线检测方法。但是，超高频检测用微带天线传感器目前还在研究之中，制造工艺要求甚高，技术尚不成熟。
脉冲火花放电法用于绝缘诊断
1996年，Department ofEnergy-sponsoredNuclear Energy(DEO)对于PASD法在复杂配线系统中的应用首次立项进行了试验研究。这项关于PASD法的基础性研究于2002年10月申请到一个美联邦航空部(FAA)为期3年的项目，研究焦点集中在商业航天器复杂配线系统和PASD技术的实际应用。研究证实PASD法能够检测和定位复杂配线系统中的多种缺陷，例如运行在空间环境中的航天器导线系统的老化过程，制造缺陷，安装损坏以及在传统电线／电缆系统中各种各样缺失的缺陷。Sandia国家实验室于2005年2月8日PASD技术获得了美国专利。
PASD技术采用一个高电压(几kV)，低能量(几mJ)的短脉冲来诱发绝缘缺陷点处的电气火花放电。此脉冲由一个结构紧凑的电池驱动的脉冲发生器产生，它可以和进行绝缘缺陷诊断的软件一起封装在一个小盒子里，组成一个便携式系统。此脉冲能量在量级上与走在人工地毯上而产生的静电放电电量相当。足够低的能量水平不会损坏主绝缘或复杂配线系统中的导体。放电沿测试条件下的导体到一个邻近的返回通道(另一导线或地面)内发生。在短短几个纳秒时间内发生电弧阻抗击穿，这将产生一个瞬时的短路并把能量返回到注入点处的传感器。这时传统的TDR技术就可以准确地定位缺陷点的位置。这项技术还可用来直接检测绝缘系统的介电强度，因为PASD电压还不足以击穿整个绝缘体，仅仅是暴露在中心的绝缘缺陷受到影响。
PASD技术首先利用低电压(数百伏)脉冲测试电缆的阻抗特性，建立对PASD在不规则阻抗配线系统中测试能力非常重要的阻抗基线。此基线用于对比高电压脉冲下的发生击穿的电缆阻抗曲线。然后注入脉冲电压并逐渐上升以检测绝缘缺陷。如果出现能探测到的缺陷的最小闽值，传感器波形将偏离低电压特性基线。波形与特性基线相分离是由于发生了电弧击穿，两个波形的分离点即为绝缘缺陷点处。
随着施加测试电压的升高，在相同实验过程中的基线变化是规则的。因而不需要为了对比而建立线路特性基线的数据库。这也是脉冲火花放电法的优点。
脉冲火花放电法的技术难点
实验证明PASD法在较长的配线系统中也非常有效。在PASD的早期发展中，人们关注的是PASD脉冲的高频分量能不能有效地沿着为低频特性而设计的绝缘长导线传播。当PASD脉冲沿着长导线传播时，脉冲振幅的衰减主要是由导线的非均匀阻抗特性引起的。这在松散的捆绑在一起的双绞线中特别明显，进行相关研究则具有重大的意义。
对更长的线路长度，首先对线路施加1～2kV的预脉冲，然后再施加PASD脉冲。预脉冲可以是单一的直流电压，也可以是几微妙的短脉冲。当处理较长导线时这种“复合脉冲”方法比单一脉冲更为有效。因为在长导线中持续的阻抗变化不断地削弱PASD脉冲的峰值，如果削弱足够厉害，就会没有足够的电压击穿缺陷点。如果施加一个缓慢上升的预脉冲，整条线路上的电势随阻抗变化独立上升。随后快速上升的PASD脉冲注入并沿着导线传播到检测缺陷点(缺陷点处已经充电到大约几千伏，这时PASD脉冲就比较容易将缺陷点击穿)。这种
“复合脉冲”方法的实施是PASD法的难点。
PASD法应用实例
实例1：PASD法检测与定位表面破损
一个同轴电缆上外部屏蔽层存在磨损的例子。
电缆在测试条件下的PASD波形。下面的波形代表测试条件下电缆的低电压阻抗基线。上面的波形是高电压脉冲诱发绝缘缺陷点处击穿的阻抗曲线。波形首次分离处代表电缆的起点，末次分离处代表电缆终点。两次事件的时间差表示电缆的长度(以时间计)。显而易见，由于电弧击穿导致缺陷点处阻抗发生急剧变化。这个变化大概发生在沿电缆长度的中点。计算得到缺陷点位于25，8英尺长电缆的11，7英尺处。
在这个实例中，PASD的脉冲峰值为12，4kV，脉冲宽度为5ns。
实例2：PASD法检测与定位绝缘破裂
一根100英尺长的双绞线中63，3英尺处具有0,5ram的裂口缺陷，应用PASD技术检测。
应用PASD技术可以很容易地诊断和定位到双绞线中的缺陷，缺陷特征非常清晰。电缆总传输时间为276ns，在182ns处波形开始分离即为缺陷点处。脉冲在电缆中传播速度为2，76ns／ft，因脉冲宽度引起的传播延迟时间校正值取9ns。
结语
商业航天器、飞机的配线系统的多对双绞线被周期性的节点和系带捆绑在一起，这就造成了沿导线长度方向的高度不均匀阻抗特性。绝缘缺陷本身可能比较小，却造成了缺陷点处阻抗的不可估量的改变，这些特性往往让阻抗测量或传统的时域反射(TDR)方法显得无效。其他的方法如局部放电法或直流击穿技术，或许可以检测到一些类型的绝缘缺陷，但不能对复杂阻抗配线系统进行定位。
复杂产品系统技术创新 篇3
1 CoPS概念及特征
CoPS(简称CoPS)的概念是20 世纪90 年代中期由英国学者Hobday等提出的,是指研发成本高、规模大、技术含量高、技术密集、用户定制、单件或小批量生产的大型产品、系统或基础设施[13,14]。它是从过去的大型技术系统(Large Technical Systems)演进而来,包括了大型电信通讯系统、大型计算机、航空航天系统、智能大厦、电力网络控制系统、大型船只、高速列车、半导体生产线和信息系统等。CoPS具有如下方面特征。
1.1 产品特征方面
复杂性是CoPS产品的本质特征。CoPS的单位成本高、子系统界面复杂、涉及多种知识和技能、产品架构具有层次性和系统性特征,其部件数量、子系统和部件的定制程度、可能的设计路线数量、系统架构的复杂性、要求知识和技能以及材料的多样性远远超过了普通大规模制造产品[15]。CoPS的生命周期比传统大规模制造产品长,技术的快速变化对其生命周期的影响可能没有传统大规模产品那样深远,CoPS往往经历过多次升级后才完全被淘汰,而传统大规模制造产品根本不需要升级就直接被更新而退出竞争市场。另外CoPS生命周期的特征没有传统大规模制造产品那样明显,因为其萌芽和衰落期非常短,而成长期和成熟期则非常长。
1.2 创新组织方面
CoPS创新组织是一个包括用户、集成商、外包商、供应商以及其他利益相关单位组成的网络组织,如图1所示。它们各自在网络中所扮演不同的角色,共同把CoPS作为战略目标进行协作开发,并在整个过程中重视技术、知识和系统集成。它们连接的媒介也不尽相同,如系统集成商与科研机构间的关系并不是完全通过市场来实现连接的,连接方式很多,包括成立合资企业或研究公司、鉴订合作R&D协议、人才培训、与政府联合资助研究项目等类型[16]。
1.3 技术特征方面
CoPS本质上是不同技术在系统不同层面上相互作用的多技术系统。第一,CoPS创新涉及的学科领域非常广泛。例如仅仅在飞机引擎的一个模块就涉及到24个技术领域的相关知识。第二,CoPS创新所面临的问题是多层次的,解决不同层次问题所面临的困难程度必然不同。对那些独特性问题,需要创造新知识和新技术予以解决[17]。第三,CoPS涉及的各种技术呈非线性的变化发展而难以预测,在各模块研发和集成时需要频繁的交流互动,从上一代产品到下一代产品,CoPS一个细小部分(或模块)的改变,却可能给产品整体功能带来巨大变化。因而,无论是全新的项目还是改进型的项目,CoPS创新的技术难度都是相当高。
2 CoPS集成商创新能力的概念
集成商是指能为客户提供系统集成产品与服务的专业机构,它凭借雄厚的技术知识、丰富的实践经验,对各种硬件、软件以及开发的应用软件进行集成,构成一个最优化的、综合统筹的整体系统,并承担对运营单位的培训和系统跟踪服务。CoPS创新不同于传统大规模制造产品创新,不仅要求集成商自身有较高的技术创新能力和管理能力,而且还需要集成商有整合企业内、外部网络的能力,在CoPS产品交付客户后,集成商还必须提供客户培训、升级、二次开发等售后服务。因此,CoPS创新中集成商的创新能力不能从传统创新过程的角度去界定,需要从CoPS创新特征的角度来揭示集成商的创新能力。
针对CoPS创新过程的特征,可以将CoPS集成商创新能力定义为:集成商在CoPS创新过程中,整合企业内、外部资源,完成CoPS产品开发,并在CoPS生命周期中提供各项服务的能力。
3 CoPS集成商创新能力的结构
创新能力的结构是指构成创新能力的基本组合方式。企业创新能力是一种整体功能,从不同的角度来分析企业创新能力,它们的结构也不相同。陈劲认为在CoPS创新中的关键能力是系统设计、项目管理和集成[18]。刘延东,张宏涛认为CoPS创新能力由战略能力、职能能力、项目能力、技术能力和创新网络五个要素构成[11,12]。本文根据集成商在CoPS创新中承担的功能角度,将集成商创新能力分为:技术能力、集成能力、管理能力和服务能力等子能力。
3.1 技术能力
理论上集成商是可以将所有的模块外包,只负责系统的集成即可。实践中,集成商基于以下两个方面的原因,必须拥有十分强大的技术能力:
第一,出于对项目整体上的把握、风险控制以及利润和成本的考虑,集成商不可能将所有的模块外包。一方面,完全外包最大的问题是可能使集成商失去控制,增加不确定性。当集成商将关键模块外包后,一旦某些外包商无法按其要求(时间、质量、成本)完成任务时,集成商将陷入极为被动状况。因此,集成商将大量模块外包,而对外包商约束力小,外包商的“机会主义”行为对集成商带来的危害是不可避免的。另一方面,外包商太多将导致协调难度大、管理费用增加等问题。所以,必须有部分重要模块由集成商内部开发。
第二,CoPS由多个模块组成,每个模块的作用、重要性有所不同。集成商要完成CoPS集成,必须对系统各模块的运作都有一定的掌控力,这样就必须了解各个模块的一些关键技术、信息、接口技术、运行原理等[19] 。
所以,为了更好地完成CoPS开发,集成商一定要在技术上有一定的积累和能力。CoPS集成商的技术能力可以从集成商掌握技术的宽度、深度和综合运用能力等方面衡量。
3.1.1 集成商掌握技术的宽度
所谓的技术的宽度可以理解为技术领域的范围。CoPS的技术含量高、技术密集,涉及的技术领域非常广泛,集成商在CoPS开发过程中所面临的技术问题应该是多方面的。集成商为了更好的完成开发,必须对大部分技术、特别是关键有个大概的了解,这构成了集成商的技术宽度。
3.1.2 集成商解决技术问题的深度
首先,集成商在解决不同技术问题时所面临的困难程度有差异,有些技术的难度非常大。其次,CoPS各种技术的交叉组合不是简单的叠加关系。一方面,这种组合导致技术开发难度不断加大,超越原有单一技术难度;另一方面,这种交叉组合在技术上将突破原有技术限制,产生新的技术领域,技术难度被扩大。因此,CoPS开发的困难程度将被显著提高。
我们将最难以解决的技术问题的层次作为该CoPS的技术深度,它可以用于衡量该CoPS的复杂程度。集成商所能够解决技术问题困难的程度和困难技术的数量构成了集成商技术能力的深度。集成商为了完成CoPS集成,在技术深度上也有一定的要求。
3.1.3 综合运用技术的能力
CoPS创新过程中各个子模块是相互独立又相互关联的,最后的系统集成却是高度综合的,集成商必须有综合各种知识的能力去完成这些工作。同时,CoPS创新过程具有突现性,在设计和系统集成的过程中往往会出现不可预见的情况[20],系统设计中某一部分的微小变化很可能会导致其它部分较大的改变。即使所有零部件及其相互关系都非常简单,但当系统规模变大时,它仍然会变得复杂和产生非线性[21]。这也要求集成商有较强的综合技术能力,解决这些技术难题,它不是单一技术能够解决的,必须在综合多种技术的基础上才能够完成。
3.2 集成能力
CoPS的开发需要集成商具备高度的集成能力,它是设计和生产CoPS的核心能力之一[22],是集成商提供集成解决方案的起点。绝大多数CoPS集成商具备系统集成能力,并将其加以应用[23,24]。集成能力可以使集成商将内部或外部研发的产品硬件、软件和服务集成为一个完整的功能性产品,同时调节外部供应商网络的活动[25]。外部网络的应用不仅扩大了集成的种类而且也扩大了CoPS集成商为客户创造价值的能力。
从范围上来讲,集成范围包括内部行为和外部行为[26]。内部行为是指集成商在企业内部进行开发和集成;外部行为指集成商对外部组织的零部件、技能、知识进行集成,以输出更为复杂的产品和服务。从集成内容上来讲包括知识和物理部件[27]。在部件层次上,集成商将供应商生产的各种子系统和零部件组织在一起,运用软件工程和涵盖硬件、软件领域的系统集成技术将之整合起来。
3.3 管理能力
CoPS项目技术复杂,知识密集,任务复杂多样,参与人员及组织的数量众多。CoPS创新管理涉及创新网络、项目管理、信息交流与沟通、技术支持等一系列活动,这对集成商的管理能力提出了严峻挑战,包括:项目管理能力、知识管理能力、跨界面管理能力、沟通管理能力等。
3.3.1 项目管理能力
职能分工制是大批量产品和服务的有效形式,能对传统技术创新活动进行有效管理,而项目制组织(Project-Based Organization,PBO)是CoPS开发理想的组织形式[28]。因此,在CoPS创新中,集成商项目管理能力是不可或缺的。集成商从项目的启动、计划、实施、控制到后续的服务等全过程中,必须对项目的进度、成本、风险、质量进行控制,对分包商、供应商进行管理。在这过程中,集成商必须运用项目管理的方法和手段,善于利用里程碑、网络进度计划、会议、报表等控制手段促进项目的管理。
3.3.2 知识管理能力
与传统大规模制造产品相比,CoPS的开发研制需要大量跨学科知识的交互和集成,需要有效地进行知识管理。由于CoPS往往是一次性或者小批量式的生产,而且需要高度的客户化定制,不同项目之间差异大,这就加大了知识管理的难度。
3.3.3 跨界面管理能力
CoPS创新中知识、任务、人员、组织的分布存在不一致,参与项目的多个团队会分布于各个专业部门和组织之中,因此,不同团队之间的跨组织界面管理会显得特别重要。界面存在于不同组织、部门、团队之间,出入于界面的有知识流、信息流、任务流、物质流、人员流和文化流等。因此,有效地跨组织边界管理是CoPS开发成功的关键因素之一。
3.3.4 沟通管理能力
参与CoPS创新的人员数量比简单技术创新项目要多,这些人员的专业背景和部门差异也比较大。因此,分布在不同组织、不同部门和不同团队里的人员之间的沟通管理会比较复杂。同时,CoPS创新中各网络组织之间的沟通也十分密切,这也是与传统创新模式不同之处,它们之间沟通的数量和质量对组织内的知识共享和转移非常关键,对CoPS创新效率和成功程度的影响是不言而喻的。
3.4 服务能力
复杂产品系统创新与大规模制造产品创新显著不同之处之一在于客户对产品交付与服务的要求。第一,CoPS的交付不像大规模制造的产品只是简单买卖交付的瞬时行为,而是一个持续的过程。只有当集成商完成CoPS现场安装、调试并顺利运行后才可以完全交付用户。这个时间周期与CoPS的复杂程度成正比。第二,许多CoPS的生命周期可能延续长达数十年,在产品投入使用或运营后,集成商还需根据客户需求、技术变化不断进行改进和创新。因此,集成商在CoPS整个生命周期中必须承担十分重要的服务功能,如客户支持、培训、维修、升级、二次开发等服务。这些服务是CoPS创新中不可或缺的重要组成部分,不仅关系到整个CoPS创新的质量,也提供了未来产品购买的机会[29]。只有服务越专业、越细致、越用心,才会赢得客户青睐。
如今,面向各行业的系统集成商都在向服务转型,CoPS集成商也力图通过将服务和产品结合,提供高价值的方案来满足客户特定的经营和业务需求。其实,CoPS集成商提供的服务不仅仅在产品交付给客户后,往往在项目实施的各个阶段就提供给客户了,如:在准备投标文件阶段提供咨询、概念上的解决方案、需求搜集、风险管理、融资、法规、合同和服务水平协议;在项目执行阶段提供分包商管理、项目报告、融入项目所需的职能能力;在技术支持阶段,提供维护、反馈维修,并将搜集到的运营数据用于投标和产品设计阶段[30]。
4 各子能力之间的关系
集成商创新能力各子能力在CoPS创新中承担各自的职责,共同完成CoPS创新。
首先,技术能力是集成商创新能力的根本。在一般的系统集成项目中,或许存在没有技术能力或者技术能力比较弱的集成商。但是,在CoPS创新中,集成商没有技术能力作为支撑要是不可想象的。
其次,集成能力是集成商创新能力的核心。集成商不仅需要将不同知识类型的企业组织在一起,还需要将不同的产品和知识进行有机的地组合起来形成最终产品。没有集成能力的集成商是不可能最终完成CoPS的创新任务的。
再者,管理能力是集成商创新能力的保障。对于复杂、庞大的CoPS创新,集成商需要按工期、质量,在合理的成本内,安全地完成项目开发及后续服务,这要求集成商具备强大的管理能力为保障,没有管理能力的集成商是不可能完成CoPS创新的。
最后,服务能力是集成商竞争力和特色的源泉。优良的服务可以满足CoPS 客户个性化的需求、增加产品的差异化、提高产品附加值、保持客户忠诚度。
在当前CoPS创新中,集成商普遍拥有技术能力,但是集成能力、管理能力依次变弱,服务能力最弱。
它们之间的关系可以用图2表示。
5 结语
CoPS创新在经济中的作用越来越大,CoPS中集成商的创新能力决定了CoPS创新的绩效。传统的创新能力的研究都是基于大规模制造产品创新,不能有效指导CoPS创新实践。本文的研究希望对CoPS创新能力研究有所借鉴。
摘要：复杂产品系统创新模式与大规模制造产品创新模式有显著区别。在分析复杂产品系统特征的基础上,对复杂产品系统创新中集成商创新能力的定义进行了探讨,对集成商创新能力的结构进行了研究,指出集成商创新能力包括技术能力、集成能力、管理能力、服务能力,并详细分析了各子能力的内容和它们之间的关系。
复杂产品系统技术创新 篇4
复杂产品系统(Complex Product and System,简称CoPS)的概念是20世纪90年代中期由英国Sussex大学科技政策研究中心的学者提出的。简言之,复杂产品系统包括那些大型、高成本、系统复杂、技术含量高、项目周期长的产品、系统和基础设施建设项目[1][2]。与大规模制造产品相比,CoPS具有高成本、高度定制、以项目或小批量的方式进行生产、用户的高度直接参等特点,项目制组织(projcct-based organization)被认为是适合于CoPS创新的组织形式。项目制组织形式能够灵活地配置各种资源,方便与外界的技术沟通与交流,随时根据相关技术的变化、政府政策的要求和客户反馈意见调整产品的设计和生产[3]。同时,CoPS的生产和创新非常复杂,需要多种技术和知识的输入,项目制组织在一个创新网络下进行。
项目制组织在CoPS创新的经济性和创新风险控制等方面具有显著的优势,但项目制组织的一次性和临时性,不利于企业技术能力的积累与交流,而创新网络有利于在各类创新主体之间建立稳定的组织关系,促进组织间的学习和交流,有利于企业技术能力的积累[4][5]。在复杂产品系统创新网络中,各项目团队之间的组织关系将对跨组织学习的效果产生直接影响,因此有必要对复杂产品系统创新的跨组织学习效应进行深入分析,并研究跨组织学习对组织治理机制选择的影响。
2 复杂产品系统创新网络的相关概念
2.1 创新网络的概念与内涵
“创新网络”的概念来源于《Research Policy》关于“创新者网络”的研究专集以及弗里曼的总结性论文中,弗里曼将“创新者网络”、“创新网络”两个概念视为等同。弗里曼认为创新网络是应付系统性创新的一种基本制度安排,网络构架的主要连接机理是企业间的创新合作关系[6]。
复杂产品系统创新是一项复杂的系统工程,技术创新的过程中受许多因素的影响,企业不可能完全孤立地进行创新。为了追求创新,企业不得不与其它的组织产生联系,来获得发展和交换各种知识、信息和其它资源,这些组织可能是其它的企业,但也可能是大学、研究机构、政府部门等等;企业与这些外部组织的联系组成一个个网络,影响着企业的技术创新[7]。
2.2 复杂产品系统创新能力
创新能力是用来表示组织成功采纳或实施新思想、新工艺以及新产品的能力。复杂产品系统创新是网络环境下的集成创新过程,需要跨越企业边界开展创新。复杂产品系统创新能力是一个能力系统,不仅包括各种创新资源的整合,也包括对各种创新资源的恰如其分的利用。复杂产品系统创新能力不仅要求各能力要素之间平衡协调,如产品创新能力和工艺创新能力、工程化能力和生产能力、技术能力和组织能力之间的动态协调,还要求企业根据竞争环境的变化,特别是市场变化趋势和用户潜在需要,不失时机的转换企业的技术创新能力[8]。能力学派认为,能力是企业拥有的关键技能和隐性知识,复杂产品系统创新能力由企业技术、市场、组织、管理等各方面的知识所决定。
2.3 创新网络中跨组织学习的动因
复杂产品创新网络中不同企业具有不同的知识,不同企业的知识之间具有很强的互补性,表现为完成一个共同目标而形成的协作关系。不同种类知识之间互相补充的需求是推动创新网络中企业进行知识共享、知识创新的直接动力,这种需求要求不同类型企业的知识之间进行更为密切的配合,以使企业获得更高的效用。这种密切配合不断促使各类知识进行改进和更新,从而连续进行创新工作。创新网络参与企业之间具有知识和技术的互补性,以及合作伙伴在技术能力的匹配程度,是影响企业学习效果的重要因素。在复杂产品系统创新网络中,参与企业之间不仅可以交换显性知识,而且更容易学习和积累隐性知识,例如一些技术诀窍、特殊技能和经验等,此外还能够培养组织学习的能力,从而实现企业技术积累的效果。
创新网络的一个非常重要的特点,就是有益于参与创新网络的企业之间面对面的交流与合作,这样就可以有效地通过学习来加强各方的技术能力的积累。创新网络的具体结构取决于合作中知识流的本质,合作的成效则取决于企业的学习和吸收能力。
3 复杂产品系统创新的跨组织学习效应
假设某项复杂产品系统创新能力为A,根据企业能力理论,复杂产品系统创新能力的形成主要取决于各种互补性知识的获取情况,于是有:
A=A(K1,K2,K3,…),K1,K2,K3,…是构成复杂产品系统创新能力的多种互补知识。
undefined
AK1,AK2,AK3分别为知识K1,K2,K3,…对复杂产品系统创新能力的效用。
undefined
说明每种知识的增加会导致复杂产品系统创新能力的增加。
由于K1,K2,K3,…具有互补性,可以借用道格拉斯生产函数来说明不同类型互补性知识对复杂产品创新能力的影响。
A=A(K1,K2,K3,…)=B·Kundefined·Kundefined·Kundefined·…
为了研究不同类型互补性知识的相互作用,简化起见,可以仅取K1,K2两类知识为研究对象,于是有:
(2)式表明,知识K11,K2的增加会导致复杂产品创新能力的增加。
式中undefined和undefined表示两种知识K1,K2之间的相关性,当undefined时两种知识正相关,说明一种知识的增加会导致另一种知识的增加,当undefined时两种知识不相关,说明一种知识的变化不会对另一种知识造成影响。
undefined
undefined
当K1,K2两种知识不相关时,undefined有:dAc=0,此时
dA=dA0=B·α·Kundefined·KundefineddK1+B·β·Kundefined·KundefineddK2 (5)
推论一:(5)式表明,知识K1,K2对企业技术创新能力的效用是互相补充的。当K1变化时,复杂产品系统创新能力的变化首先由K1的变化决定,而复杂产品系统创新能力变化的程度由K2的大小决定,因为K1的边际效用的大小受K2的约束。K2随K1协同创新时,随着K2的增大,复杂产品系统创新能力对K1的边际值也增大;K2不变时,即使K1变化很大,复杂产品系统创新能力对K1的边际值变化不大;K2趋近于0时,即使K1变化很大,复杂产品系统创新能力对K1的边际值收效甚微,K1的创新化为乌有。由此可知,复杂产品系统创新能力的大小取决于K1、K2的大小,其变化是由K1、K2的共同变化所决定。因此,构成复杂产品系统创新能力的每一种互补性知识都会对复杂产品系统创新能力产生直接影响,每一种互补性知识最优是系统创新能力达到最优的前提。
当K1,K2两种知识相关时,undefined。
此时有:dA=dA0+dAc
dAc表示的是当两种知识增加时,会分别引起另一种知识的增加,从而导致系统创新能力产生的一个附加增量,可以称之为跨组织学习效应。
推论二:当两种知识K1,K2相关时,两种知识之间的交流产生的跨组织学习效应会导致复杂产品系统创新能力的增加,两种知识的相关性越高,跨组织学习效应就越大。
当K1,K2相互独立,不相关时,有:
undefined
由此可见,复杂产品系统创新能力存在极值,即K1对复杂产品系统创新能力的效用表现为递减。
当K1,K2两种知识相关时,有:
undefined
为简化分析,可令undefined,即,K1,K2之间的相关系数为一个常数,此时有:undefined
由(6)可得:
undefined
当2Cβ·K1+α·K2-K2>0时undefined
当2Cβ·K1+α·K2-K2=0时undefined
当2Cβ·K1+α·K2-K2<0时
undefined
推论三:与K1,K2相互独立相比,当K1,K2两种知识相关时,跨组织学习效应会对复杂产品系统创新能力的机制产生影响,这种影响的大小取决于两者见的相关系数、两种知识的大小及其系数的大小等因素。当2Cβ·K1+α·K2-K2>0时,复杂产品系统创新能力随K1,K2的增加,不断增大,K1的效用表现为递增;当2Cβ·K1+α·K2-K2=0时,复杂产品系统创新能力随K1,K2的增加成直线增长,K1的效用表现为恒定不变;当2Cβ·K1+α·K2-K2<0时,复杂产品系统创新能力存在极值,即K1对复杂产品系统创新能力的效用表现为递减,但效用递减的速度较之K1,K2相互独立相比大大减缓。
上述分析表明:跨组织学习能够带来复杂产品系统创新能力的提升,实现创新网络中互补性知识的学习和交流,能够促进复杂产品系统创新能力最大化的提高和持续。创新网络中跨组织学习体现的是互补性知识要素的创造性融合,由于不同的企业所掌握的知识是不同的,具有一定的互补性,在知识的交流和共享过程中,互补性知识的互相扩散吸收,有利于新知识的产生和商品化。
4 复杂产品系统创新网络组织治理机制的选择
复杂产品系统创新需要多种互补性知识的交互作用,因此对知识整合的效率及知识转移的效率就至关重要。组织治理机制的选择决定着知识转移的效率,市场治理、中间治理及科层治理是组织治理机制的三种基本形态,不同的组织治理机制对知识转移治理的效果分别不同,不同组织治理机制对于知识管理的差异主要体现在两个方面:即发展自身知识的激励程度和促进知识的交流程度[9][10],如表1所示。
市场、中间形态及科层制对知识转移治理的效果分别不同,市场有激励去发展自身的知识,但不利于解决知识悖论问题,且没办法促成共同语言的形成;权威型科层组织有助于复杂问题的解决,但对发展自身知识的激励有阻碍作用;多数决定型科层组织适合于组织里具有共同的价值目标情形,以及需要知识的积极转移,此时权威的作用主要在于选择研究项目,而不确定研究的具体路径][11]。
为了考虑不同组织治理模式对复杂产品系统创新能力的影响,引入发展自身知识激励因子ξ,和促进知识交流因子ψ;市场治理、中间治理、科层治理模式下的发展自身知识激励因子和促进知识交流因子分别为:ξM,ξH,ξB;ψM,ψH,ψB,于是由式(3)可得:
市场治理模式下的创新能力增量为:
undefined
中间治理模式下的创新能力增量为:
undefined
科层治理模式下的创新能力增量为:
undefined
为简化分析,可取:
undefined
将式(15)带入(12)(14)可得:
dAM=B·α·Kundefined·KundefineddK1+B·β·Kundefined·KundefineddK2 (16)
undefined
对于不同类型的互补性知识,组织治理机制的适用性取决于dAM、dAH、dAB三者之间的比值。
情况一:当undefined时,互补性知识之间相关程度很低或不相关,此时dAM>dAH>dAB。由于市场治理机制对企业发展自身知识的激励程度最高,更加有利于促进单项不相关知识的创新和积累,因此,对于低相关程度的知识应以市场治理为主。
情况二:当undefined时,互补性知识的相关度,此时。因此dAM
情况三:由undefined时,由于科层组织对于企业发展自身知识的激励有阻碍作用,因此,当互补性知识的相关度不是很高的时候,采用科层组织在带来跨组织学习效应的同时,会降低企业自身知识的增长幅度。而采用中间治理既能较好的发挥企业发展自身知识的激励作用,又能发挥一部分跨组织学习效用,此时,采用中间治理就较科层治理和市场治理更优。
5 结论
(1)多种互补性知识的交互作用是推动复杂产品系统创新的内在动力,构成复杂产品系统创新能力的每一种互补性知识都会对复杂产品系统创新能力产生直接影响,每一种互补性知识最优是系统创新能力达到最优的前提。
(2)互补性知识之间的相关程度反映了解决一个问题所需多种知识之间的可分解程度,根据互补性知识可分解程度的高低可以将复杂产品系统创新所需要的知识间的关系分为三类:低交互作用知识、高交互作用知识、中交互作用知识。对于低交互作用知识,采用市场治理机制对企业发展自身知识的激励程度最高,更有利于通过促进单项不相关知识的创新和积累来提高复杂产品系统创新能力。对于高交互作用知识,采用科层治理带来的跨组织学习效应最明显,更有利于提高复杂产品系统创新能力。而对于中交互作用知识,采用中间治理机制在发挥对企业发展自身知识激励作用的同时,还能较好的促进跨组织学习,此时中间治理机制在促进复杂产品系统创新能力的提升方面更有优势。
(3)选择恰当的组织治理机制能够有效促进创新网络中的跨组织学习效应,实现创新网络中互补性知识的学习和交流,促进复杂产品系统创新能力的持续提升。
摘要：多种互补性知识的交互作用是推动复杂产品系统创新的内在动力,复杂产品系统创新网络为合作伙伴的跨组织学习提供了机会和平台。建立了复杂产品系统创新能力与互补性知识间的函数关系,对跨组织学习提升复杂产品系统创新能力的原理及影响因素进行了数学分析。将复杂产品系统创新所需要的知识分为低交互作用知识、高交互作用知识和中交互作用知识,分析了不同的组织治理机制对知识转移治理效果的差异,界定了不同组织治理机制的适用范围。
关键词：复杂产品系统,创新网络,组织治理,跨组织学习
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复杂产品系统的标准化模式研究 篇5
复杂产品系统 (Complex Products and Systems, Co PS) 是指研发投入大、技术含量高、单件或小批量、 定制生产的大型产品、系统或基础设施。诸如大型电信通信系统、大型计算机、航空航天系统、智能大厦、电力网络控制系统、大型船舶、高速列车、 半导体生产线、自动化生产线、信息系统、轨道交通控制系统、社会保障及社会安全系统等。
复杂产品系统的概念最早是由英国的Hobday提出,并作为与传统大规模制造的产品有重大差异的产品类型进行单独研究。很显然,其外延已经远远超出了通常的产品范围,这里所讲的“产品”是一类特殊的产品,其最大的特殊就是复杂,它不是一个孤立的产品而是一个复杂系统。我们今天所讲的 “大规模工程”指的也基本上是这类系统。
人类社会发展到今天,已经把我们从“大规模生产时代”带进了“大规模工程时代”。大规模生产时代以生产工业产品为主,大规模工程时代则以研制或建造复杂产品系统为主。凡是接触过复杂产品系统的人都有一个共同感受:在大规模生产时代,即使是管理最大的生产系统,问题也较简单,同今天遇到的问题相比也是小问题。因此,与“大规模工程时代”相伴而生的复杂性难题,就成了我们必须面对的挑战。
2复杂产品系统的重要性
复杂产品系统已成为当今世界各国普遍关注的战略重点。德国的“工业4.0”战略、美国正在大力推广的“3D”打印技术,以及IEC正在推进的系统标准化,其最终目的都是针对复杂产品系统这个大目标。当今世界如此重视复杂产品系统主要是因为它巨大的技术经济意义:
(1) 复杂产品系统与一般产品相比,相对数量虽少,但规模大、单价高,所以整个复杂产品系统产业的总产值占GDP的份额比较高,在现代经济中有着举足轻重的作用。
(2) 复杂产品系统综合程度高,它由众多子系统和零部件组成,一旦开发成功,便能够迅速推动相关产业发展,进而带动其他普通的大规模制造产品的发展,它对整个国民经济的拉动作用无与伦比。
(3) 复杂产品系统涉及的技术种类多、技术含量高,其开发成功能够直接导致内嵌在复杂产品系统的各种模块技术应用到其他领域,这种技术扩散的速度远远快于通常的产品创新,从而引起整个相关产业链的技术升级,带来国家竞争力的提升。
(4) 复杂产品系统属于大型资本型产品,它们为生产“简单”产品以及提供现代化服务创造了条件。 众多工业自动化系统的应用,大型项目的投资建设, 将极大地推动我国经济的腾飞。
(5) 复杂产品系统最能体现一个国家的综合国力和科技竞争力,它将承担起在开放的环境下支撑我国经济应对国际竞争的重任,尤其是国防尖端产品和战略性新兴产业的产品大多是复杂产品系统。
因此,可以说复杂产品系统的创新是一个国家在竞争加剧的国际环境中赖以生存和发展、提升国际地位的有效途径,是关系国家强弱盛衰的命脉。
3复杂产品系统的特点
复杂产品系统的研制或创新是一个巨大、复杂且技术密集的系统工程,与常规的产品开发、生产以及标准化相比有着截然不同的特点:
(1) 复杂产品系统结构的高度复杂性。构成产品系统的要素不仅数量巨大,而且要素之间的关系错综复杂。系统内部有众多子系统,这些子系统之间相互依赖,且有许多协同作用,可以共同进化。在复杂系统中,子系统会分为很多层次,大小也各不相同。面对这种复杂产品,我们难以制定通常的产品标准对它进行规范。
(2) 复杂产品系统具有多学科知识集成的特点。 这使得在复杂产品系统的管理中更需要对多学科知识的集成管理。传统标准化把学科专业分得非常细, 培养了大批的专业标准化工作者,却极度缺乏系统集成的综合性人才及横跨诸多专业和领域的标准化经验;传统标准化习惯于单个制定标准并追求单个标准的优质,复杂产品系统的知识集成要求知识成套 ( 标准成套 ) 且互相协同。
(3) 复杂产品系统通常是高度定制化的产品。已有的标准和标准体系无法满足其要求,许多标准也必须量身定制。这同我们以往的标准化观念有着天壤之别。
(4) 复杂产品系统多数情况下是单件或小批量制造,批量生产法则常常不适用。传统标准化以重复性事物为对象,强调标准的通用性;而复杂产品系统的标准化常以非重复性事物为对象,许多标准具有专用的特点等。
(5) 复杂产品系统是动态系统。以航空发动机为例,20世纪30年代Frank Whittle推出的航空发动机结构非常简单,随着航空业对压力、速度、飞行高度、 温度等各因素要求的不断提高,航空发动机在原产品的基础上不断添加新的子系统,从而使现代航空发动机发展成为具有代表性的复杂产品系统。但传统标准化的最大问题就是缺乏对这种动态变化的适应能力,企业的标准体系越是庞大,它的刚性便越强, 动态变化的能力便越差。
(6) 复杂产品系统的研制与生产同步。我们没有能力把研制过程中所需要的标准事先全部准备好, 更没必要等到研制结束后再去制定标准,许多标准也只能跟研制与生产同步进行——即需、即制、即用。
(7) 开发任务与开发人员的多元化。研制过程中各相关方的广泛参与和协同创新,以及由跨企业的项目团队承担等,都是传统标准化从未涉足的领域。
复杂产品系统之所以有这么多与众不同的特点, 归根结底是由于它的高度复杂性。复杂性与要素有关,但并不一定是要素越多越复杂。复杂性的根源主要是产品的要素、设计参数和任务之间的相互依赖性、混沌性和不确定性。复杂性与不确定性休戚相关。复杂产品系统的内嵌技术有着高度的不确定性,有的无法在研发生产前预知。
因此,如何克服复杂性和不确定性,如何改变预期的不完全性和解决复杂问题能力的有限性,就成为人类跨越复杂性障碍的关键。面对这个关键性难题的挑战,标准化能否有所作为,不仅是对标准化的重大考验,而且对未来标准化的发展与走向也有着至关重要的意义。
4复杂产品系统的标准化模式
基于上述与传统工业产品截然不同的特点,传统的管理理论、流程管理工具 ( 如ERP) 以及常规管理模式,如质量体系、企业标准体系等,由于它们都是着眼于企业内部的管理,对于横跨诸多行业、 专业与组织的项目管理则不具有指导意义。
传统标准化的管理模式在技术进步非常缓慢的工业化初期或计划经济年代,以及产品和生产(服务) 流程长期不变的企业是基本可行的;随着科学技术的快速发展、市场竞争环境的急剧变化以及产品生命周期的缩短,单靠以往的标准来应对当今市场的挑战已经越来越不能适应。到了后工业化时代,不要说无法满足越来越多的复杂产品系统的要求,就是一般工业产品的多元化快速应变都显得力不从心。
笔者经研究并根据已有的经验,将复杂产品系统的运作方式概括为以下三种模式:A模式、B模式和A+B模式。
4.1A模式——基于黑箱理论的模块化
4.1.1A模式的方法论基础:黑箱方法
黑箱方法是探索复杂大系统的重要工具。它通过考察对象的输入、输出及其动态过程,而不直接考察其内部结构和相互作用的大量细节,只是从总体行为上去描述和把握系统、预测系统的行为,定量地认识研究对象的功能特征、行为方式及其机理的一种科学方法,这在研究复杂产品系统时特别有用。
所谓“黑箱”,就是指那些既不能打开、又不能从外部直接观察其内部状态的系统。“黑箱方法” 从综合的角度为人们提供了一条认识事物的重要途径,尤其对某些内部结构比较复杂的系统和迄今为止人们的力量尚不能彻底认识的系统。
运用黑箱方法研究系统首先要孤立黑箱,确认黑箱——规定它与周围环境的边界,将它从环境中分离出来之后,即可采用被动考察和主动实验等方法来研究黑箱,使黑箱变成白箱。有时黑箱模型不止一个,这种情况下,系统辨识其中最合理的一个。
当我们把一个复杂产品系统作为研制对象时, 由于这个系统中还有许多未知的领域和大量的不确定问题,我们无法象对待一般产品那样,可以做到由总体设计到施工设计再到生产制造一气呵成。而对于复杂产品系统,只好把那些不清楚、不确定的难题装进黑箱里,一步步地向能打开黑箱的专业人员传递,最后再一层层地打开黑箱,变不确定为确定, 变未知为已知。
4.1.2A模式的运作方式:模块化设计制造
模块化是标准化的高级形式,黑箱方法的实现形式。模块化运用黑箱原理应对复杂性的主要对策是:
复杂产品系统的全部功能要求通过组合功能模块的方法实现,即复杂产品系统采用模块化架构。
用模块分割系统,限制要素间的交互作用, 把复杂系统变成一个个较为简单的系统,模块设计者所承担的任务其复杂程度便会显著降低。
如果模块还复杂,可继续分割下去,直到对专业人员来说,黑箱已变成白箱,这时便可设计制造模块。
产品的模块化架构,有利于对复杂系统分散决策,使决策方式从集中管理变为对每个模块的管理,从而可以显著地降低对复杂产品系统管理的难度。
当所有黑箱被一层层打开,所有模块均已建成,即可通过一层层的模块系统集成,最终实现复杂产品系统。
由于复杂产品系统通常是根据用户的特殊要求定制的,产品结构中将使用较多的专用模块。又由于模块的开发工作量极大,所以模块集成商常需将非核心技术模块外包,形成模块化产业集群。
模块化产业集群一旦形成,便开始了背靠背的模块研发竞争,产生无与伦比的创新效率。
模块可并行开发、分散化创新、竞争性再集中和事后改进以及模块的可分、可合、可互换等特点, 使采用模块化架构的复杂产品系统充满无限的生机和活力,产品系统虽然高度复杂但却有极强的应变能力。这种能力已经成为当今市场竞争中决定胜负的关键能力。
在上述所有活动中,必须首先建立能确保系统整体性的“设计规则”或“设计规范”,对模块划分、 模块研制、模块集成过程中必须遵守的规则和必须满足的要求,以及在整个过程中必须保留和正确处理的关系、联系和接口等做岀统一规定。它既是模块化架构的顶层设计,又是整个系统运作的总依据。 如果模块 ( 子系统、分系统 ) 较大,它也是一个相对复杂的系统的话,它还要通过建立相应的子规范、 分规范,用以指导子系统、分系统内部的模块化。 如此发展下去,便形成一个规范体系,它是模块化成功的最重要的保证。
此外,模块化所特有的选择权和事后改进的特点,可在一定程度上弥补人们预期的不完全性和解决复杂问题能力的有限性,起到降低不确定性的作用。
在传统制造业里模块化方法早有利用,到目前, 无论是一般工业产品还是复杂产品系统,模块化已成为首选的创新模式。从家用电器到机器设备,从运载火箭到航空雷达,从高速列车到航空母舰都不约而同地选择了模块化架构,最具竞争力的模块化智能手机也即将问世。
4.2B模式——基于系统理论的综合标准化
4.2.1B模式的方法论基础:系统分析方法
当我们要创建一个复杂产品系统或者要解决复杂产品系统中的某些问题时,标准是必不可少的。 但由于人们认识和解决复杂问题能力的有限性,我们无法知道需要制定多少标准、什么标准、更无法知道标准该制定成什么样、如何克服这个复杂性难题,系统分析方法便是可借助的科学方法之一。它不仅把标准化对象作为一个系统,而且把这个系统放到它所存在的更大的系统 ( 环境 ) 中进行考察。根据我们创建这个系统的目的和确立的目标,运用各类方法和工具 ( 如模型化方法、定量化方法、最优化方法、以及从定性到定量的综合集成方法等 ),通过自上而下的分析,不仅要找到影响目标实现的相关要素,而且要弄清楚目标与要素之间以及要素与要素之间的定性与定量关系,从而为总目标的分解和落实以及相关标准的制定提供基本依据。这个系统分析过程非常重要,是决定综合标准化成败的关键。 每一个综合标准化项目都是一项系统工程,都要经历一系列步骤和过程,其中的每一步都要经历分析和决策的反复迭代,可以说在综合标准化过程中起关键作用的是以系统理论为基础的系统分析方法。
4.2.2B模式的运作方式:综合标准化
综合标准化不是单纯制定标准,它是要解决问题,而且是解决比较复杂的问题。综合标准化借助系统分析方法进行“自上而下”的分析,不仅要确定与目标的实现密切相关的要素,而且要搞清楚各相关要素与产品系统之间以及各要素相互之间的定性和定量关系,依此将我们设定的总目标 ( 总要求分解为各相关要素的分目标 ( 分要求 )。如果相关要素的分目标仍然复杂难以落实,可再进行分解,直到能够落实到具体的执行主体,随后的工作就是制定确保目标实现的标准。这些标准虽然各自的目标不同、任务不同、执行主体也不同,但却都围绕一个总目标并保证总目标的实现,它们被称为“标准综合体”。贯彻实施这个“标准综合体”便可使复杂产品系统创建和运行中的问题得到解决,这种方法运作上的特点便属于IEC所提倡的“自上而下” 的标准化方法。
从系统分析到形成标准综合体是一个由分析到综合的反复迭代过程。在这个过程中,自上而下的分析使复杂系统简化,帮助我们认识系统,知道该定那些标准以及制定什么样的标准;自下而上的综合,是把标准组织起来,形成一个标准综合体,也就是建立一个复杂的标准系统。只有用复杂的标准系统才能解决复杂产品系统的问题。因为这个标准综合体已不是单个标准的简单相加,是参数指标经过整体协调,各要素互相关联、互相作用的有特定功能的有机整体,它所产生的系统效应,是它能解决问题的根据。
为实现一个较为简单的目标通常建一个标准综合体就能解决问题。对于较复杂的系统目标 ( 需要再分解的目标 ) 则需要建多个标准综合体,分别解决各个分目标的问题。各综合体之间的关系,犹如各子系统之间也是互相关联的,共同保证更高层目标的实现。
4.3A+B模式——模块化与综合标准化互相融合
模块化和综合标准化都是应对复杂性的标准化工具。
模块化是从改变复杂产品系统的架构入手,将复杂产品系统的一体化架构改变为模块化架构,实现对一体化架构的分割,从而使其每一部分变得简单,以达到降低复杂性的目的,使我们有可能对复杂产品展开设计和制造。
综合标准化是从复杂产品系统的目标入手。我们无论创建什么系统,都是有目的和具体目标的。 实现预定目标,是创建复杂产品系统的最终目的。 因此,综合标准化坚守目标导向原则和用系统分析方法对目标进行分解。对目标的分解,常常会变成物理实体的分解,这就演变成模块化过程。反过来, 在模块化过程中对每个具体模块 ( 黑箱 ) 处理时,又可借助综合标准化的方法对黑箱进行系统分析,找到打开黑箱的途径。
因此,A模式和B模式都不是绝对的,它们在解决具体问题过程中有时只用A模式或B模式,有时交差并用,你中有我我中有你,这就是A+B模式。
5复杂产品系统的标准化是“重中之重”
复杂产品系统的标准化,是个世纪性课题。虽然我们对它的认识还很肤浅,但有一点是肯定的, 它己经或必将成为国家之间经济和科技实力较量的焦点和未来标准化发展的重点。因此,IEC已经将其提到日程并纳入《IEC发展纲要》。IEC认为:“技术多样性以及许多新兴市场中的技术融合 ( 特别是那些大型基础设施建设领域 ) 现在需要自上而下的方法开展标准化。首先从系统或系统架构层面开展工作,而非以往的从产品层面开展工作。系统标准在多领域的需求将快速增长,包括环境、安全和健康”。ISO在质量管理和环境管理领域的标准化取得成功之后,在食品安全、社会安全、信息安全、道路交通安全、能源管理、风险管理、社会责任等关键领域,推出了近20个基于系统方法的管理系列标准。2012年,国家标准委以“系统管理”的思维将综合标准化列为“重中之重”,并选择了现代农业、 大型客机、海上钻井平台、智能电网、电子商务、 社会管理和公共服务等典型的复杂产品系统开展了大范围的综合标准化试点。工业和信息化部在太阳能光伏、半导体照明、云计算、物联网、锂离子电池、 智能电视等产业发展的重点领域的综合标准化项目正在扎实推进,并筹划下一步将挑战智能制造领域。 中国向高难度的现代标准化迈出的这一步具有重大战略意义,必将对中国经济的腾飞产生深远的影响。
在面对复杂系统的大规模工程时代,所谓标准化实力,主要不在于拥有多少标准、有多大机构和多少人,更不在于规范了多少业务流程,关键是看是否具有应对复杂系统的能力并参与其中做出成效, 这才是当今时代要求标准化具备的“能力”。
这种“能力”的培育和形成,要经历极其艰难的过程,要做大量艰苦细致的工作,要有相当规模的资源投入,毫无疑问它一定是标准化战略的重点。
这种“能力”的研究,也就是解决复杂产品系统的标准化难题,必将成为各类科研机构攻坚的目标。对标准化研究机构来说,同样的是对它的研究能力和研究水平的考验。
所谓“高素质标准化人才”的培养,除了把他们放到复杂性之中去磨练,让他们组织跨学科、跨专业、跨领域的专家团队去攻克标准化难题之外, 别无它法。
我国的标准化工作开展了60多年,已经有了相当的基础,标准数量的增长已不是当务之急,到了该用标准解决关键性难题以及转型的时候了。
本文所述的复杂产品系统标准化的三种模式 ( 可能还有许多种 ) 只是根据已有经验的探索,需要解决的技术和方法难题还有很多,探索的路还会很长、 很艰巨。但是可以预见,哪个国家要想使自已的复杂产品系统在国际市场占有一席之地,就一定要占领这个标准化高地。
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复杂产品系统技术创新 篇6
关键词：以人为中心,复杂产品系统,电梯,设计
0 引言
在复杂产品系统的开发流程中, 各种利益相关者的需求都应被充分考虑。特别是对于存在密切人机交互的系统, 人应该处于系统设计的核心位置, 以保证系统可以满足各种使用情况下的需求。在设计界, 以人为中心的设计已经成为主流的观点, 以至于设计人员经常不加思考地采用。本文基于以人为中心的设计 (human-centered design, HCD) 进行扩展, 引入行为图、基于情景的设计 (scenariobased design, SBD) 准则, 提出一种适合复杂产品系统的设计流程。
HCD是指在设计产品或系统时, 将客户置于设计与开发过程的中心[1]。HCD在产品开发过程中发挥重要指导作用。在激烈的市场竞争中, 产品成功由客户是否满意决定, 而客户满意由客户需求的满足来实现。HCD方法使产品设计与客户需求匹配[2], 通过这种匹配提高产品质量、客户满意度与产品成功率。然而, 设计与需求的匹配是困难的、不准确的[3]。客户通过使用非技术语言来描述他们的需求。HCD方法需要将技术设计与非技术语言匹配, 这种匹配准确度通常比较低。因此, 大部份产品并没有与客户需求相匹配。
HCD的缺陷在于, HCD以已经作好技术准备为前提, 一旦明确客户需求, 可以迅速地完成产品设计并推出市场。另外, 以人为中心还缺乏明确的实现途径。Don Norman在ACM通信杂志“交互设计”专栏中写道:“这个世界上的大多数东西都是在没有得益于以人为中心的设计方法的情况下被设计出来的, 不过这些东西仍然工作得很好。...最基本的原因就是, 在它们被设计时, 这些物品所被用来从事的活动是经过深入理解的, 这就是以行为为中心的设计”。人的行为才应该是设计的焦点。
HCD已经纳入到ISO标准中。ISO 13407明确定义了HCD的4种主要活动[4]:理解并定义使用情景, 定义客户及组织的需求, 制订设计方案, 并依据需求对设计进行评估。
资料来源:根据文献[4]整理.
本文的主要目标是设计一种新型的电梯产品, 以支持老人、病人的特殊需求, 满足老龄化社会的需要, 而相关的支撑技术并未完全具备。
基于以人为中心的启发, 具有特殊需要的人群, 包括制造商、老人、病人, 以及他们的护士等各种人群及其行为过程, 被纳入到电梯系统开发的每一步骤中:从电梯系统开发的最早的概念阶段, 进行用户的行为分析, 直至电梯系统设计的最终评价。
以行为为中心以及SBD是本文依据的另一方法准则。在人机交互领域中, 场景已经被作为一种多个系统开发阶段使用的工具, 它能帮助所有的利益相关者贡献自己的系统分析、设计与评价意见。
设计师通常使用情景来组织、论证和交流思想。情景作为语言的辅助, 描述人的行为, 使客户可以融入到设计流程中, 并帮助他们确定需求。通过描述多种情景下的各种行为过程, 可展现出序列性的需求。在整个设计循环中, 描述行为的工具可首先用于描述产品当前使用的目标与需求, 然后通过迭代的设计与评估过程转换、提炼设计目标与需求。多情景下的行为描述有助于检验、仿真分析、展示各种可能的设计方案结果。
1 设计流程的思考
通常, 客户需求空间向产品设计空间转换的过程会导致信息的丢失。一些产品开发的机制, 例如质量功能展开 (QFD) 关注产品的性能、可靠性、寿命等因素在后续开发过程中的贯彻, 但与情感有关的因素由于较难获取与描述, 因而在质量功能展开过程中易于被忽略、丢失[5]。
关于开发流程, 学术界及管理实践逐渐形成了如下四种观点[6]:门径管理;管道管理;功能-作用原理-结构的映射过程;风险管理系统。
管道管理模型[7]为最主流的观点, 它将产品开发流程定义为:产品规划-概念开发-系统级设计-详细设计-测试纠正及生产起步。这一流程类似一条不断缩窄的管道, 在这一喇叭形态的“管道”中, 流动着的新产品可选方案及对应的开发项目数量越来越少, 而新产品方案的信息却越来越丰富、具体。
然而这一流程模型对人机交互的需求缺乏足够的考虑与重视。为此, 文献[8]提出, 具有复杂人机交互的系统的研发流程应具有如下步骤:焦点开发-创建当前系统应用的工作流-问题定义及确定设计目标-创建未来系统应用的工作流-创建功能概要-创建物理概要-将物理概要分解至可管理的模块。通过对当前系统应用工作流的分析, 存在的问题得到全面的展示;通过对未来系统应用工作流的规划, 引导思维边界的突破及全新观念的产生。
基于以上研究可以设想, 构建一种图形化的、易于理解的多层次行为视图, 使非专家的普遍客户也能参与到设计中来, 也使设计工程师能更好地理解电梯行业、护理行业等多个不同领域的背景与技术, 以更有效地利用所有利益相关者在设计过程中达成的共识。俗话说:一图胜千言, 在开发复杂产品系统时特别如此。下文以电梯为例说明。 (图2)
2 电梯实例
随着老龄化社会的临近, 越来越多地需要在公共设施设计中考虑老年人、病人的需要, 电梯作为一种垂直升降的公共交通设施, 需要重视这一趋势。
为此, 首先在设计其轿厢内部装潢时, 应考虑到人的情感因素, 尽量使电梯给人一种舒适温馨的感受, 多使用温暖色调, 避免冰冷暗淡的色调;其次, 需要考虑病人以及各种医疗设备, 例如病床、吊瓶架、氧气瓶等抢救设备所需要的大尺寸空间, 以及杀菌化学制剂的使用;最后, 适当考虑防撞缓冲的需求, 减轻相撞时的冲击保护病床上的病人。
目前, 还没有一种电梯能满足这一需要:不只需要考虑正常人的使用, 还要考虑承载病人, 运送病床及医疗设备, 同时需要考虑这些特殊情况发生的偶然性, 考虑电梯的可制造性、可装配性, 以尽可能降低产品成本与能量消耗, 并具有较高水平的人机交互界面与可操作性。
2.1 步骤1:产品规划
产品规划环节由开发团队执行, 其目的是制定产品开发任务书。团队包括如下成员:工业设计师1人, 电梯设计工程师5人, 制造工程师1人, 医护人员1人, 医学专业人员1人, 电梯维护人员1人。经过市场的细分与分析、技术发展趋势分析、企业战略分析三者的匹配, 最后经过头脑风暴会议来完成产品规划。
产品开发任务书的研究对象是:明确设计的焦点;定义新产品的概念;确认目标客户;确认安全有效使用电梯的障碍;搜集对产品设计特征的意见。
通过产品规划, 认为新型电梯的焦点是感性设计、人机交互, 在有限的空间内需要容纳担架、轮椅及病人, 减少碰撞振动与不适, 并进行安全高效的电梯控制操作, 同时又要满足节能环保的要求。
在开发过程的早期阶段确定产品的焦点是一项困难的工作。通过这一阶段, 潜在的设计意图逐渐变得清晰。
2.2 步骤2:客户需求获取
2.2.1 理解当前使用情景
通过归纳客户操作电梯的行为习惯和固有特性, 创建当前系统的行为图, 形成获取多层次客户需求的框架, 这是多层次信息视图的重要组成部份。步骤如下:
首先, 以来自医院的医护人员, 以及家有老人病人的普遍电梯客户共50人, 为访谈对象, 基于步骤1确定的产品设计焦点与概念, 进行面对面的半结构化的访谈 (interview) 。该步骤主要用于明确如下问题:需要用担架、轮椅搬运病人时电梯的操作过程;在这过程中所遇到哪些问题, 以及这些问题的条件、过程与后果;对于电梯设施有何感性需求;任何影响在执行医护任务时安全高效使用电梯的因素。
对系统实际操作环境及客户的全面且精确的洞察, 对于系统的设计以及客户需求的满足至关重要。为了确认当前实践的问题, 设计者应首先将总结所获得的设计信息转换为行为图, 以描述当前系统的作用。仅作为示意, 如图2所示, 该行为图显示了电梯从制造装配、运输、安装维护到客户使用的全生命周期的行为, 以图形化的直观方式使得全面的客户需求, 且不易遗漏。图中, 方向线的粗细表示该方向所指的行为的频率, 线越粗表示该行为越常见;箭头的方向表示行为的串行关系。
2.2.2 确认存在问题及设计目标
2.2.2. 1 访谈与数据收集
基于当前使用行为图指出的每一使用模式, 围绕如下问题进行访谈并收集数据:
(1) 客户在与电梯交互过程中遇到的问题, 以及这些问题如何随着客户属性的变化而变化;
(2) 这些问题发生的频率, 以及对不同客户产生的后果;
(3) 新型电梯应如何克服这些问题;
(4) 安全高效使用电梯的障碍;
(5) 新型电梯对病人、普通用户、电梯安装维护人员、医疗机构、医护人员等各种客户有何益处;
(6) 新型电梯的设计偏好。
2.2.2. 2 数据组织与分析
在上述步骤系统性地收集资料的基础上, 基于质性分析的方法, 寻找反映客户需求本质的核心概念, 然后通过这些概念之间的联系建构完整的需求模型。访谈调研数据转换为如下三个类别:需求;障碍;设计, 简洁地展示数据分析结果, 如表1所示。
对原始资料进行进一步的定性分析以后, 明确存在的问题及设计目标:
(1) 电梯生产与运输。
电梯包装箱在很长一段时间不能引起厂商及设计人员的重视, 只是简单给以部件包裹, 这才很大程度上违背了人性化的设计原则。电梯包装箱存在如下问题:裸包装部件遇潮湿后易生锈, 不便于运输;纸箱包装, 易损坏, 不便运输, 零散易丢件。应考虑新型的包装箱, 以达到方便搬运、整齐美观的目的。
(2) 电梯操纵显示器。
电梯操纵显示器在感性需求上尤为重要。乘客首先接触的是电梯的外部操纵显示器, 进入轿厢后同样需要操控电梯内部的操纵显示器, 进行楼层选择。色彩搭配以及按钮布局排布是其感性设计的关键。当人在受到色彩的刺激后, 会产生心理暗示, 色彩搭配必须尊重这种因果关系。
(3) 电梯的空间。
常用的电梯长度从1.3米到1.6米不等, 而一部急救担架的长度超过1.8米。狭小的电梯放不下担架。由于患者不能颠簸晃动, 医护人员 (或家属) 常常只能将担架半竖着放进电梯, 让患者斜躺在担架上, 容易使病情加重。《住宅设计规范》 (GB50096-1999) 规定:“十二层及以上的高层住宅, 每栋楼不能少于两台电梯, 其中一台电梯应该能容纳担架。”然而, 开发商从成本的角度考虑, 在不少的电梯上没有执行这一规定。
(4) 不适合行动不便人员使用。
目前电梯按钮主要采用亮光来显示楼层, 并不适合于盲人使用。盲人进入电梯时, 不便于方便的找到希望到达的楼层, 所以对于盲人来说, 单独乘坐电梯很不方便。
扶手在安装时往往有螺钉突出, 行动不便人员往往难以避开, 并且不美观。
电梯震动或坠落时, 电梯无适当的支撑物, 震动或坠落会造成伤害, 对行动不便人员的伤害特别大。
(5) 电梯环境。
传统的通风装置是电力驱动的风扇, 购置成本与使用成本较高。
2.2.3 设计未来的使用情景
在这一步骤中, 将当前的使用情景转换为未来的使用情景, 如图3所示。在未来的使用情景中, 当前问题被消除, 产品愿景得以实现。未来的使用情景是一种对人机交互过程的高度概括, 有助于设计团队及设计参与者理解电梯使用的环境, 显示关键的设计问题。
在未来的使用情景中, 不需扩大轿厢的整体尺寸而低成本地实现大尺寸的空间, 保证担架可以进入并平放;行动不便的人可以舒适地保持平衡;视觉不良的人可以方便地进行目的地楼层设置, 并可修正错误的设置;等等。生产安装情景分析在此省略。
2.3 步骤3:系统级设计
2.3.1 功能分析
功能分析的结果展示系统功能的实现目标。对于复杂产品系统, 将功能分析为多项子功能十分必要, 它可以阐明问题, 使设计师可以聚焦到最关键、最有可能实现创新的子功能上。
在检修运行、 (自动) 开门、 (自动) 关门、自动返回基站、满载直驶、司机操作、独立运行、通风等基本功能, 使用温和的工业设计风格, 并增加如下功能:远程监控;PDA在线交互;可变的空间尺寸;碰撞缓冲与支撑;盲文及声控;错误修正。需要在成本得到控制的情况下, 在传统的电梯上增加以上功能。
具体的功能描述在此不表, 它应提供详细的使用背景信息, 以及明确的、定量的功能目标。例如, 可变的空间尺寸的需求项中指出:扩大后的空间尺寸应能容纳1.8米长的担架。
通过达到以上产品功能, 电梯将能更高效迅速地安装维护, 更安全、舒适地使用, 减少碰撞、震动、压力与不适。这时, 开发团队坚信, 这一电梯的市场需求是广阔的、迫切的。
在以上需求实现之前, 研发团队认识到, 以上功能最困难的部份是可变的空间尺寸、碰撞缓冲与支撑、盲文及声控等需求。
2.3.2 制定系统解决方案
在这一步骤中, 依据“功能—作用原理 (效应) ———物理结构”的映射过程, 将产品的功能要求转化为解决方案。解决方案是具体物理结构设计的要点, 它指出每一主要功能实现的关键点, 以及主要部件的空间及结构上的关系。
解决方案应遵守功能及技术需求的约束, 并基于最终用户的需求进行评估, 选择最佳的解决方案。
在设计过程中, 知识会不断进化, 因此系统结构的部件也随之进化。解决方案可用于修正未来的使用情景, 使设计意图进一步明确。
以几个主要的子功能为例, 说明其解决方案:
(1) 根据发明问题解决理论 (TRIZ) , 使用“基于条件的分离”这一分离原理, 以及“动态化”这一发明原理, 实现动态的轿厢深度。解决方案为:轿厢下后壁可以向背离轿厢门的方向打开、折叠, 充分利用井道空间, 在需要运输担架时, 通过折叠, 动态产生额外的空间, 提高了担架出入时的安全性, 并增加载重的均匀性。其平时可充当普通载客电梯, 具备普通电梯轿厢的宽度与深度;在特殊情况下, 延展电梯轿厢的深度, 满足普通人平躺在担架上的长度要求, 充当救援用的担架电梯。因此, 这一功能可增大深度却不增加土建面积, 达到节省成本与能量消耗的目的。
(2) 碰撞缓冲与支撑功能的解决方案为:扶手连杆上套有端座外套, 将扶手端座表面覆盖, 遮盖螺钉, 防止行动不灵活的人在轿厢内转身时划伤, 同时保持轿厢内美观。轿厢顶部安装有吊环, 在震动特别是坠落时, 抓住吊环可显著减少伤害。
(3) 盲文及声控功能的解决方案为:按键的按压位置处设有凸起的盲人数字, 按键连接有发声话筒, 开关、发声话筒均与用于楼层登记的电路连接。
(4) 通风的解决方案为:通过轿厢上的风滞压力产生电梯轿厢中的竖直的气流, 实现免电力的通风。风扇仅在需要时打开, 减少了电力消耗与使用成本。
电梯作为一种成熟产品, 目前已经存在海量专利。以上的构思可能与已有专利冲突, 需要进行查询分析, 避开已有的相似专利, 同时基于专利挖掘, 进行技术成熟度分析。对关于轿厢的专利进行分析发现:在轿厢深度调整、碰撞缓冲、盲文及声控、通风等方面的技术都仍处于成长期, 值得加大投入进行研发。
2.3.3 系统级的参数分配至模块
通过以上步骤, 从轿厢空间调整装置、碰撞缓冲与支撑装置、盲文及声控装置、通风等方面实现了电梯系统人性化创新及改良设计。
在上述步骤中, 系统作为一个集成的解决方案进行思考。在模块化的设计方案中, 需将设计需要分配至模块, 是最终实现产品功能需要的必然的步骤。然而, 将技术参数分配至模块具有很高的复杂性, 它需要依据两个准则:一是保证系统的技术参数与模块的技术参数的一致性, 也就是说, 实现模块的技术参数后, 能保证系统的技术参数得到保证;二是各个模块的实现难度保持相近, 不能让某些模块很难实现, 否则会使成本不必要地上升。系统的模块化的好处是:使得最终客户可以按其需求定制产品。
通过对电梯的模块化划分, 使得功能与模块近似地具有一对一的关系。在这一设计方案中, 如下5个模块被定义:厢体、导轨、驱动、无线通讯、轿厢空间尺寸调整、碰撞缓冲与支撑、控制与显示、通风与照明。其设计方案如图4所示。
2.4 步骤4与5:详细设计与测试纠正
方案的产生与方案评估密不可分。在跨功能的研发团队组建开始, 各个团队人员以及参与设计的多种角色, 都从一开始就贡献其知识经验, 以验证提出来的各种新构想, 使得最终的解决方案更具市场可行性与可用性。在开发的后期阶段, 解决方案逐渐具体与可视化, 设备供应商开始参与设计, 以确认方案的技术可行性。由于方案表达为易于理解的形式, 包括三维虚拟人体的应用情景展示, 团队可以在早期的设计阶段, 向商业合作伙伴证明新型电梯的高附加值。
经过可用性评估, 最终的设计方案得到了较高的评价。
3 结论
本研究基于以人为中心设计的理念, 提出了一种适用于复杂产品系统设计的、以人为中心的设计流程, 并进行电梯系统的创新优化与改良设计, 解决了电梯系统中几个非人性化设计缺陷, 规划、定义了电梯的主要模块, 并进行了三维虚拟人体的分析, 提出一种具有良好人机操作界面的绿色电梯系统。经评估认为, 这一新型电梯具有较广阔的市场需求。本文提出通过行为图的引入, 扩展了以人为中心设计的观点, 有助于将各种利益相关者的需求融合到一个框架内, 并清晰展现。
本研究所提出的方法适用于电梯之外其它类型的、存在复杂人机交互的复杂产品系统的设计。
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复杂产品系统技术创新 篇7
复杂产品系统（Complex Product systems）是指研发投入大、技术含量高、单件或者小批量定制生产的大型产品、系统或基础设施[1]。它包括了航空航天系统、大型船舶、高速列车、海洋工程、半导体生产线、信息系统等。复杂产品系统与现代工业休戚相关，其产值占GDP的份额比较高，在经济发展中发挥着非常重要的作用。随着科学技术的迅猛发展，研发团队成为复杂产品系统应对环境变化、进行技术创新的最好方法之一。Katzenbach认为，研发团队是由彼此间紧密联系的成员个体，为完成共同的研发团队目标而成立，并且依据某种特定的方式工作的特殊群体[2]。国内外不少学者对团队成员的特质进行了研究，但这些研究多集中在对团队成员外在的、显性的、附加特征的研究，而对内在深层的观念、交互关系等的研究比较少。本研究针对复杂产品系统，从研发团队成员所具备的心理资本和团队中形成的交互记忆系统出发，深入探索心理资本、交互记忆系统和研发团队效能三者之间的关系，试图为复杂产品系统研发团队的建设提供新的视角和建议。
1 文献回顾与研究假设
1.1 心理资本与交互记忆系统
Luthans等将心理资本定义为个人符合积极组织行为标准心理状态的积极性核心心理要素，凌驾于人力资本和社会资本之上，通过针对性的发掘和调控而使个体获得竞争优势[3]。Luthans和Youssef提出，心理资本由自信、希望、乐观和坚韧四种积极心理状态组成[4]。Wegner认为，交互记忆系统（transactive memory systems，以下简称“TMS”）是指团队成员之间形成的一种彼此依赖的认知合作性分工系统[5]，为团队提供了专门的知识互换、交流合作的场所，其中的成员不仅掌握各自领域的专长知识，并且相互依赖应用其他成员知识。Lewis在以前学者的研究基础上把TMS划分为三个维度：专长、可信、协调[6]。
以往关于心理资本和TMS的研究还很少，对于两者间的关系还比较模糊。本研究认为：团队成员所具有的心理资本能够影响团队TMS的形成和发展。其中，团队成员的希望程度越高，主观能动性就会越强，专长性知识的掌握就越好；团队成员的坚韧性越高，对专长掌握的深度也会越高，那么团队成员的心理资本会促进TMS专长维度。据此，提出如下假设：H1：研发团队成员心理资本对TMS有显著影响。其中，心理资本的四个维度与TMS的三个维度之间存在显著的正向影响。
1.2 交互记忆系统与团队效能
Eric,Kennech等把团队效能分为团队绩效和可行性。Sundstrom等认为团队效能指团队完成预定目标的结果，包括三个部分：群体生产的产量，群体对其成员的影响和提高团队工作能力。Cohen认为团队效能包括产出的数量和质量衡量的绩效效能，成员态度和行为产出。
国内外学者的大量研究表明，TMS会对工作绩效产生影响。美国学者Henry(1995）等人的实验研究证明，当团队中的成员能够明确相互的专长领域时，会对问题产生相同的认识和理解，因而能够提出更为出众的解决方案。Michinov(2009）以实验研究数据证实了TMS能够促进一般团队内成员专长知识的学习，进而提高团队绩效。因此，本文提出如下假设：H2：研发团队中，团队TMS的形成对团队效能有显著影响。其中，TMS的三个维度与团队效能的两个维度之间有显著的正向影响。
1.3 团队成员心理资本与团队效能
团队成员的希望程度越高，主观能动性就会越强，合作效率就会越高，继而提高了团队效能。团队成员的坚韧性和自信程度越高，任务目标的完成越强烈，个人的能力越得到更大的施展；成员较高的乐观度会有助于克服困难和挑战，帮助顺利完成任务。根此，可提出假设：H3：研发团队中，团队成员所具备的心理资本对团队效能有显著影响。其中，心理资本的四个维度与团队效能的两个维度之间有显著的正向影响。
2 研究设计
2.1 变量测量
本研究的测试对象全部来自S飞机研究所、Y航空发动机研究所、D机车研究所、L船舶设计院等企业的研发团队。本研究所采用的问卷均参考国内外已有的成熟量表，包括：Luthans和Youssef在2005年开发出的《心理资本量表》；张志学在2006年开发的适合于中国国情的《交互记忆系统量表》[7]，西南财经大学王贞怡提出的《团队效能量表》（划分为团队绩效和成员满意感两个维度）。但考虑到国情及研究对象，笔者在企业访谈的基础上对成熟量表进行了适度调整，进而形成最终量表。研究问卷均采用李克特六级量表，并加入反向计分。
2.2 数据收集
在正式问卷调研中，共发放问卷400份，最终回收有效问卷341份，有效回收率为85.3%。接受问卷调研的团队成员中，男女比例为7:3，研发团队成员的年龄集中在30岁以下，学历集中在本科学历。团队规模大都集中在10～20人；团队成立的时间以3-5年的最多。
3 数据分析与假设检验
3.1 效度与信度检验
心理资本量表的a系数值为0.8522，各个维度的a系数分别为0.868、0.859、0.902、0.861，表明心理资本量表的题项具有良好的信度。心理资本量表的KMO值为0.815,Bartlett球体检验的近似卡方分布为3078.449，在自由度为101时Sig=0.000，证明该量表适合因子分析。
TMS量表各个维度的a系数分别为0.8583、0.9171、0.8942，说明信度较高。KMO的值为0.929,Bartlett球体检验的近似卡方分布为5084.063，在自由度为196时Sig=0.000，说明TMS量表适合做因子分析。
团队效能量表各个维度的一致性系数a分别为0.8942、0.8831，充分显示了每个维度测量项目较为一致的内部结构和较高的信度，说明团队效能量表适合进行因素分析。对该量表的效度分析结果显示KMO值为0.932,Bartlett球体检验的近似卡方分布为3955.247，并在自由度为156时，Sig=0.000，显示该量表适合做因子分析。
3.2 相关分析
本研究首先对变量内各维度间以及各维度与变量总体间的相关性进行分析。研发团队成员所具备的心理资本、团队TMS和团队效能这三个变量，其内部的几个维度间，既相互依存、并非完全独立；又存在差异，不可完全代替。说明这三个变量的设置是合理和有效的。
对研发团队成员所具备的心理资本四个维度与TMS的三个维度间进行相关分析，结果显示，心理资本四个维度中的三个维度PC1、PC2、PC4，和TMS的四个维度之间都显示了0.01水平上的显著相关。而心理资本中的PC3仅和TMS1呈现出在0.01水平上的显著相关，却与TMS2和TMS3并非显著相关。根据维度所代表的含义可以得出，团队成员所具备的的自信、希望和乐观，对团队TMS的形成和发展有显著的相关性。
对研发团队成员所具备的TMS各维度，与团队效能的各维度进行的相关分析显示，TMS的三个维度，对团队效能的两个个维度都显示了0.01水平上的显著相关。说明团队所具备的专长、团队成员之间的信任，及团队成员之间的协调，都和团队绩效和团队满意度，即团队效能有显著关系。
对研发团队成员所具备的心理资本各维度，与团队效能的各维度进行的相关分析显示，心理资本的四个维度与团队效能的全部两个维度都显示了0.01水平上的显著相关。说明团队成员所具备的自信、希望、坚韧、乐观的心理资本，都对团队绩效及团队成员满意度有相关关系。
3.3 回归分析
自信、乐观和坚韧性对TMS专长维的影响显著，而且是正向影响，即自信、乐观和坚韧性越强，则越容易形成TMS。心理资本中的PC2（希望）、PC4（乐观）两个维度对TMS中得可信维有显著的影响力，且标准化系数B都为正数，说明它们对可信维的影响是正向的。希望、乐观和坚韧性对协调维影响显著，而自信对协调维的形成没有显著影响力，而且自信的标准化系数B为负数，即自信度越高，越难以形成协调维。从而验证并修改了前文的假设H1及其子假设。
专长维和协调维对团队绩效的影响显著；而可信维对团队绩效的形成没有显著影响力。从而验证并修改了前文的假设H2及其子假设。
自信和乐观对团队绩效的影响显著，它们对绩效的影响都是正向的，即自信和乐观越强，则越容易提高团队绩效。自信和乐观对满意度的影响显著；而希望和坚韧性对团队成员成长没有显著影响。它们对满意度的影响都是正向的，即自信和乐观越强，满意度越强。通过上述分析，验证并修改了假设H3及其子假设。
3.4 研究结论
通过对以上假设检验的结果进行总结和归纳，本次研究基本上验证了最初的理论假设。结果表明：研发团队的心理资本可以促进团队成员形成TMS，特别是自信、乐观、希望这三个维度与TMS的形成有显著的正向关系。团队成员间形成的TMS也会较大地影响团队效能。同时，团队成员的心里资本特点会对团队效能中的绩效与成员满意度产生显著影响。
4 结论
本研究较为深入的探索了复杂产品系统的研发团队成员所具备的心理资本、团队交互记忆系统和团队效能三者之间的关系，最终的研究结果对于中国复杂产品系统的研发团队在团队建设等方面具有十分重要的实践意义。本文结合研究结果提出如下建议：
(1)在组建研发团队时，可以对候选人的心理资本四个方面进行评测，挑选其中心理资本较高的人员组建团队，这样可以有效的提高研发团队的团队效能。(2)要加强对团队成员心理资本的习得和获取进行培训，帮助团队成员获取更多的心理资本。(3)研发团队的管理者要高度重视交互记忆系统的形成、发展以及完善，要通过建立沟通程序、提供交互合作平台来促进交互记忆系统的发展，从而提升研发团队绩效和成员满意度。
摘要：本文采用实证研究,针对复杂产品系统的研发团队,从团队成员所具有的心理资本出发,探索团队成员心理资本对团队成员交互记忆系统的形成及发展的影响,进而得出其对团队效能的影响。从而为复杂产品系统中研发团队的建设提供建议,进而提升团队效能。
关键词：复杂产品系统,心理资本,交互记忆系统,团队效能
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复杂产品系统技术创新 篇8
汽车、飞机、船舶、军工、家电等行业的产品大量采用复杂曲面,工件的复杂曲面和模具型面的数字化建模和三维检测是进行产品设计和质量控制的前提和基础。对于中小型工件(长度小于1 m),主要采用台式三座标测量机、激光扫描仪、关节臂三座标测量机等测量设备,基本能满足检测和逆向设计的要求。对于大型工件(长度大于1 m),空间测量激光跟踪仪、经纬仪等光学仪器的测量精度能够满足使用要求,但其局限于对工件的一些关键点进行测量。存在测量速度慢、检测繁琐,无法进行全尺寸检测的缺点,迫切需要有新型的检测设备和检测方法[1]出现。近景工业摄影测量技术在国外发展较早,并且有开发的商用软件应用,典型代表有美国GSI公司的V-STARS系统、德国AICON 3D公司DPA-Pro系统、德国GOM公司的TRITOP系统、挪威METRONOR公司的METRONOR系统等[2],其测量精度都在0.1 mm/m。国内高校和研究机构从事此项研究的有武汉大学和天津大学等,主要应用于建筑、航拍、大地量测等,基本停留在理论研究阶段,没有开发相应的商用系统。
一种新型的快速光学检测技术⎯近景工业摄影测量系统XJTUDP开发成功。此系统由西安交通大学模具与塑性加工研究所自主研发,打破了国外摄影测量软件在中国的垄断局面。测量精度为0.1 mm/m。
1 近景工业摄影测量系统的组成、开发内容
近景工业摄影测量主要是通过在物体的表面及周围放置标志点,然后从不同的角度和位置(图1)对物体进行拍摄,得到一定数量的照片,经过图像处理、标志点定位、编码点识别,最终依靠这些标志点重建出物体的三维点云,从而实现对物体上的关键点之间的距离进行测量并获得在此基础上的其他信息。
1.1 系统组成
摄影测量系统组成(图2)如下:
1)系统测量软件: 基于XP环境,安装在高性能的台式机或笔记本电脑上;
2)编码参考点: 由一个中心点和周围的环状编码组成,每个点有自己的编号;
3)非编码参考点: 未编码参考点,用来得到测量物体相关部分的三维坐标;
4)专业数码相机: 固定焦距可互换镜头的高分辨率数码相机[3];
5)高精度定标尺: 刻度尺作为测量结果的比例,具有极精确的已经测量的参考点来确定它们的长度。
1.2 开发的主要内容
基于亚像素边缘拟合的高精度标志点中心检测;编码点设计及编码点自动检测;摄影测量的相机标定及三维重建技术。
2 近景工业摄影测量系统关键技术
近景工业摄影测量系统基于数字图像处理技术和摄影测量技术,来实现物体结构特征转化为离散点三维坐标矩阵的精确重建。在物体上放置编码标志点和非编码标志点,通过数字相机从不同角度和位置拍摄物体获取图片。基于最小二乘拟合的亚像素提取技术对获得的图片进行处理,计算出标志点的准确几何中心;同时识别出编码点的编号。基于共线方程的图像检测原理获取上述标志点的中心坐标和编号信息,经相对定向(共面方程)、绝对定向(直接线性变换解法)、外极线匹配(对极几何)、三维重建和光束平差算法实现物体点三维坐标的准确重建。其中前四者的结果为光束平差算法提供初值,光束平差作为最后一步,对所有的参数进行非线性优化,这些参数包括相机的内、外方位参数和物体空间点的三维坐标,在调整物体空间点三维坐标的同时也实现了相机的高精度标定,而且可以进一步控制物体几何特征点的误差,得到更高精度的点云三维坐标矩阵。
2.1 基于亚像素边缘拟合的高精度标志点中心检测
使用经典算法找出像素级精度的边缘点,利用边缘附近多个像素的灰度值作为补充信息,可以确定亚像素级的边缘所在。目前已有矩法、梯度幅值均值法、拟合法、Canny检测算法、梯度均值算法等算法[4]。
2.1.1 梯度幅值均值法
1)在粗定位的边缘点上沿梯度方向求梯度幅值G(x,y);2)根据G(x,y)的值确定包含边缘的区间,即对给定的阈值T确定满足G(x,y)>T的(x,y)的取值区间;3)利用梯度分量Gx和Gy作为权值,沿梯度方向的边缘位置亚像素级校正由下式给出
式中:dxi,dyi是一个像素点沿梯度方向与粗定位边缘点的距离分量,Gxi,Gyi是梯度分量,n为沿梯度方向上G(x,y)>T的像素点个数。
2.1.2 标志点中心的亚像素精度定位
圆形标志经透镜成像后为椭圆,为达到对椭圆中心的子像素级精度定位,首先用边缘检测算子对椭圆边缘进行亚像素检测得到亚像素精度的边缘点,最后对提取的标志边缘点进行椭圆最小二乘拟合,从而确定标志中心的精确位置。
圆形标志的影像为平面椭圆,所以对提取的边缘点进行椭圆最小二乘拟合,即可确定标志中心的位置。平面椭圆的一般方程为
椭圆拟合可求得椭圆方程的5个参数B、C、D、E和F,椭圆中心坐标[5]:
2.2 编码点设计及编码点自动检测
标志分为编码标志和非编码标志。非编码标志点为圆形,经过投影变换为椭圆。根据编码规则的不同,编码标志又分为8位、10位、12位、14位、15位等几种编码。
2.2.1 编码设计
n位编码表示将外部的圆环等分成n份,每一位上若颜色和中心的圆同色,则编码为1,否则为0(图3)。另外,根据颜色的不同,又可以把编码标志以及非编码标志分成白底黑点标志和黑底白点标志,本文采用10位黑底白点编码点(图4)。
2.2.2 编码点自动检测
按照编码标志和非编码标志的区别,用式(2)得到的标志点的椭圆参数,对标志点的外圈环带进行采样,对采样的灰度数据进行分析,得到标志点的类型;若是编码标志点,则分析得到编码标志环带的径向范围,并根据标志点的几何尺寸把环带分成n(n为编码位数的整数倍)等份,得到n个扇环区域;对环带进行灰度采样,对采样的灰度值进行处理得到一个灰度阈值;由灰度阈值,并对每个扇环的采样值进行滤波,得到n位编码序列;由n位编码序列经过循环移位和合并,得到标志点的编码序列[6];由标志点的编码序列经循环移位找到编码序列的最小值,然后查表得到其编码值(图5)。
2.3 基于摄影测量的相机标定及三维重建技术
相机标定是三维光学测量的基础,主要原理基于共线方程,标定参数对测量的结果影响很大。标定过程就是三维重建的过程。主要包括:相对定向、绝对定向、外极线匹配及三维重建、光束平差。
2.3.1 共线方程
物方点经过相机镜头摄影后成像到像平面上,理想的投影成像模型是几何光学中的小孔成像模型,其本质就是射影几何中的中心透视投影过程(图6)。
相机实际成像时,由于各种因素的干扰,主点的像平面坐标不严格为零,存在一微小值(x0,y0),使得像点在像平面上相对其理论位置存在一定的微小偏差,记为(∆x′,∆y′)。实际像点的共线方程可以写成[7]
式中:x,y是像点坐标;X,Y,Z是目标点物空间坐标;XS,YS,ZS是像站点的物空间坐标;ai,bi,ci(i=1,2,3)是像空间坐标系相对于物空间坐标系的方向余弦。
2.3.2 相对定向
选取像片1的像空间坐标S1-xyz为摄影测量坐标系(图7),像点p1在S1-xyz中的坐标为(x1,y1,-f),像点p2在像片2的像空间坐标系为S2-x′y′z′的坐标为(x2,y2,-f);设投影中心S2在S1-xyz中的坐标为(Bx,By,Bz),像点p2在坐标系S2-xyz中的坐标为(x′2,y′2,z′2),S2-x′y′z′与S1-xyz间的旋转矩阵为M,因向量S1S2、S1p1和S2p2共面,且有
将式(6)写成坐标形式,有
式(7)即为摄影测量中的共面条件方程[8],当取两张像片组成立体像对时,z1=-f。
2.3.3 绝对定向(直接线性变换解法)
建立像素坐标(x,y)与相应物方点空间坐标(X,Y,Z)之间直接的线性关系的算法。直接线性变换[9]:
式中:11个系数li均是内、外方位元素以及线性改正系数的函数。只改正了线性误差,还需改正非线性的物镜畸变,设像点量测坐标(x,y)之改正数分别为(vx,vy),则可列出求解待定系数的误差方程式[10],得
式中:A=l9X+l10Y+l11Z+1,1k为待定的对称性物镜畸变系数,r为向径,x0为像主点在物空间坐标系内的坐标。
2.3.4 外极线几何约束
根据双目成像的透视关系可知,左图像平面内任何一点在右图像平面内的外极线都要经过外极点e2(图8),反之亦然,这种关系具有对称性。经过平差计算得到L后,可以相应的计算得到旋转矩阵R和平移矩阵T,得出[11]:
式(12)是双目视觉中外极线几何约束的数学描述。A1、A2为摄像机1、2的内参数矩阵,为对应像平面匹配点的齐次坐标,[T]x为斜对称矩阵,由平移矢量T决定。矩阵F是基础矩阵,它与摄像机内参数、摄像机之间的相对姿态有关[12]。
2.3.5 光束平差解法
光束平差解法是一种把控制点的像点坐标、待定点的像坐标以及其它内业、外业量测数据的一部分或全部均视作观测值,以整体地同时求解它们的值和待定点空间坐标的解算方法,能极大的提高摄影测量的系统精度。基于共线方程列出的光束平差的误差方程为[13]
式中:t、X1、X2、Xad分别是外参数、内参数、物方坐标及畸变参数的改正数向量,A,B,C,Dad分别为对应的系数矩阵,L为观测值向量。
3 基于VDI/VDE2634精度对比测试
参照德国VDI/VDE2634[14]标准(图9),采用(图9(b))所示的测试框架(2000 mm×2000 mm×1500 mm),布置参考点和标尺,摄像站位置按照图1,围绕物体环形分布,共拍摄39张照片,作为一组。取图9(a)中1、2、4、5、7个位置的参考点距离进行比较,重复拍摄7组,分别输入XJTUDP和TRITOP测试,构建出参考点坐标后测量点距。对比测量结果得出表1。
对比表1可以看到,每相对应组的平均值非常接近,差别最大的为距离3,相差0.01 mm,最小为距离1,值为0。为检验两软件的精度和稳定性,考虑其每组平均值相差很小,可以看作是一致的,这里以XJTUDP测的每组平均值为横坐标,TRITOP和XJTUDP相对应平均差和极差为纵坐标得出图10。
从图10可以看出,XJTUDP和TRITOP重建结果重复精度较高,鲁棒性较好,均优于0.1 mm/m。
4 XJTUDP在工业检测中的应用
近景工业摄影测量软件与面扫描软件相结合[15],可以提高测量精度,避免单纯依靠面扫描软件测量时点云匹配带来的累计误差,并可实现点云的自动拼接,降低操作工人的劳动强度。通过在待测物体上放置标志点和多摄站拍摄,获得物体的全局坐标。将其输入面扫描软件,则扫描的每幅点云通过动态坐标转换,得到其在全局摄影坐标下的姿态(图11)。图11、12为XJTUDP和面扫描软件配合使用获取白车身的点云外形,实际效果证明可以应用在工业测量领域。
5 结论
针对大型工件复杂曲面难以精确测量和获得准确数据模型,国外的商用摄影测量软件长期在国内占据垄断地位,在国内率先开发了拥有自主知识产权的近景工业摄影测量系统XJTUDP,填补了国内空白,通过研究基于亚像素边缘拟合的高精度标志点中心检测方法、编码点设计及编码点自动检测方法和相机标定、三维重建技术并成功应用,给国内同行研究摄影测量系统开发提供了有价值的参考。