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模块化创新模式及其在汽车开发系统中的应用

来源:用户上传      作者: 吕 权

  [摘要]被称为“新产业结构本质”的模块化设计在推动全球电子信息产业革命中发挥了卓越的贡献,这种新的创新范式已被越来越多的全球领先汽车公司所采纳,作为其获取21世纪竞争优势的战略基石。本文结合对模块化理论和模块化创新的理解,聚焦于分析模块化创新模式对汽车生产系统和产品开发系统的影响,探求其推动汽车产业创新的原理、方法和工具,并通过归纳、分析“模块化集成创新”模式在中国彪马集团整车系统创新中的实际应用,演绎模块化创新在提升汽车产业绩效中的实现机制和实际经验。
  [关键词]汽车制造 模块化创新 概念 方法 产品开发
  
  一、全球模块化理论和模块化产业变革的兴起
  
  斯坦福大学教授青木昌彦(2001)认为,“模块化”是“新产业结构的本质”,向模块化发展的产业结构趋势基本上可以看作是从事前的设计和生产的集中控制转向分散化的创新,同时伴随着更灵活、更大众化的设计规则以及事后的竞争性再集中。模块化潮流的兴起,一般认为是在电子信息产业开始的。随着模块化设计、制造与研发在电子信息产业革命中显现出的强大生产力优势,模块化理论与设计原则正被日益广泛、深入地应用到机械、汽车、制药、装备制造、知识型服务业等诸多领域。
  特别是作为国民经济重要战略支柱的中国汽车产业,目前以国有企业为主体,仍延续以传统的产业垂直分工为基础的一体化汽车生产体系,整个生产系统的投资刚性十分明显,模块化程度较低,不能有效满足21世纪敏捷制造的要求和顾客需求多样化、定制化的要求。而欧美发达自20世纪80年代以来逐步加快了汽车产业模块化进程的步伐,将零部件制造商逐步独立,形成水平分工体系,制造商之间形成模块化的协作关系。如1997年由奔驰公司和SMH公司联合推出的Smart Car汽车就采用典型的模块化产品开发模式,整车由5个模块构成,由7个一级供应商分别承担子模块的装配和配送,在需要的时候向主机厂提供整体模块,从而实现了延时生产和快速敏捷制造[1]。大众公司在巴西的卡车项目也采用了这种模块化生产系统。而瑞典的SEP装甲车由于先进的模块化车族设计,迅速赢得欧洲市场的主导地位,成为新型军用车辆开发的典范。
  作者认为,未来汽车制造企业的核心竞争力将越来越取决于有效的创新管理,如何通过创新战略与设计管理能力的持续提升,紧跟全球设计规则演变的主流,是民族汽车工业实现“中国制造”向“中国创造”跨越的重要决定性因素之一。模块化创新模式,无疑蕴含着推动中国汽车制造业深刻变革的力量。由于模块化创新具有同步、分布式创新的优势,是汽车产业链实现敏捷制造和并行工程的基础,因此扮演着汽车工业向先进制造模式转型的产业组织功能。比如将产品创新分解成多个模块进行设计和制造,可以充分吸收分布于不同地理区域的子模块制造商的设计、生产优势,提升产业链的协同度,降低整车产品的研发和制造成本;通过采用整车开发模块化结构设计和子系统模块之间的平行开发与制造方式,实现产品开发的“串行工程”向“并行工程”转变,大大缩短汽车产品上市时间和商业开发周期,提升生产系统的敏捷性;通过汽车子系统与核心零部件的模块化分解、组合,形成多种系列的“车族化”快速选配,从而实现大规模顾客定制的要求。
  先进制造的全球革命和商业实践一再向我们证明:先进生产系统的率先采用者往往掌握产业发展的主导权,进而成为主流设计规则乃至产业标准的制定者。对企业来说,率先成功地采用先进设计规则就意味着引领产业标准,占据产业制高点。对国家而言,经由模块化设计创新系统联系在一起的分布式“模块创新簇群”是推动产业结构从垂直一体化向扁平网络化结构转型的关键,是实现钱学森等主导的分布式协同创新的现实力量。培育这样的产业模块化创新簇群结构就意味着培养赢得未来国际竞争的秘密武器[2]。
  
  二、模块化创新的原理与方法
  
  迄今最具代表性的“模块化”定义是由哈佛商学院教授鲍德温(Baldwin C Y)和克拉克(Clark K B)给出的。其核心概念可表述如下:“模块是大系统的单元,这些单元在结构上相互独立,但共同发挥作用。而系统作为一个整体则提供了一个框架,从而既保证结构的独立性又保证功能的一体化”。作者理解的所谓“模块”,就是可组合成系统的,具有某种确定功能和接口结构的,典型的通用独立单元。这一概念可以通过“抽象(abstraction)”、“信息隐藏(information hiding)”、“界面(interface)”三个词语来说明,即复杂系统的管理可以通过将系统分割成小块,然后分别处理来实现;当系统要素的复杂性超过了特定阈限,可以将这种复杂性分离抽象出来,作为独立的具有简单界面的一部分;这种抽象隐藏了要素的复杂性,即子模块的设计内容只在子模块内部是可见的,而对集成系统来说是隐藏的;界面表明了要素如何与所处的大系统进行互动[2]。因此,“模块化”可以理解为是一组参数、任务或人这些要素之间的特定关系模式,是通过每个可以独立设计的并且能够发挥整体作用的更小子系统来构筑复杂的产品或业务的过程。也就是说,模块化是一种网状层级结构,包含了基本要素之间的相互关系。
  而模块化创新,则是在模块化设计的基础上,通过模块化的系统设计、模块化的任务结构设计、模块化产品开发原则构建、模块化编码、围绕模块化创新的组织设计、模块化供应链管理、支持模块化的产品信息化开发平台等的建设,实现系统设计任务的有效分解和集成,从而提升企业创新绩效。以汽车生产系统为例,为了实现有效的模块化创新,必须通过建立模块化创新的组织系统,实现上下游企业间的高效率创新协同,以推动产业创新系统向“模块化”方向进化。在这个模块化组织系统中,作为旗舰企业的整车厂商起着枢纽的作用,而各层次配套厂商则承担“模块化创新单元”的角色。这种“模块化创新单元”是一种半自律的创新自治体,具有半封闭的结构,在遵循模块化整体系统设计要求和系统界面要求的前提下,可以自主性改进和创新的模块化产品的性能和生产工艺,无须整车厂商的严格控制,具有对整车系统的自主适应性。
  在整体产品开发上,如汽车主机厂,其模块化创新方法主要采用“分割”、“替代”、“排除”、“扩展”、“归纳”和“移植”六种要素工具。参照鲍德温和克拉克对模块化设计操作符的理解,我们将汽车产品模块化开发的六种要素工具定义如下:
  分割:是将整车或独立子系统的整体设计规则分解为若干功能和物理结构独立的“子模块”和“系统集成与测试子模块”。通过分割,汽车产品整体设计中原先具有相互依赖关系的参数的单层设计转变成具有核心独立模块的层级化设计。而“系统集成与测试子模块”则是为了保证其它子模块的开发质量,以及保证子模块能被有效地集成为整体系统;
  替代:是为了保证优秀的模块设计和开发成果在竞争中胜出而设计的竞争工具。只要符合整车系统模块化集成的界面要求,任何优秀的模块化产品都可以通过测试和竞争取代系统中现有的供应模块,从而使优秀的新供应商通过竞争进入上一层供应链顾客市场,实现模块化产品的经济价值;
  “扩展”和“排除”:是一对互补的要素工具,其中“扩展”是在系统中增加模块,“排除”则是在系统中剔除模块。这种设置是为了汽车开发系统具有设计柔性,即这种系统可根据用户个性化需求改变系统配置,增加个性化功能模块使汽车产品具有新的功能,剔除顾客不需要的功能模块以减少机会成本。这样,汽车产品就由设计定型式的“固定配置”转变为“可重新配置”的柔性系统;

  归纳:是将若干个子模块的设计内容通过归纳,移至上一级的设计层级,成为上一级集成模块的一体化设计的组成部分,原先隐藏的模块设计内容在上一级设计层次中变成设计内容。如将智能化的发动机管理系统(EMS,即发动机电喷)子模块与发动机物理设计子模块的设计归纳在一起,组成新的发动机整体智能化设计子模块,以前隐藏在两个独立子模块中的设计信息在新的集成模块内部是公开和可见的。相应的,两个子模块开发团队往往也会合并为一个团队;
  移植:是将子模块移至设计层级的上层,使隐藏设计信息的子模块嵌入到上层系统结构中,增强上层设计的性能。与“归纳”不同,移植模块的设计信息是隐藏的,不需对上层系统公开设计信息,这就简化了设计协调成本,使得上层设计系统不必翻译并兼容移植模块的设计内容。
  
  三、模块化创新在彪马集团整车开发系统中的应用
  
  中国彪马集团是1997年起步的民营企业制造企业,通过灵活集成供应链优势,发展具有模块化特征的整车开发生产系统,以自主创新引领跨越式发展,在不到十年的时间里,便从生产变型拖拉机的中小企业发展成为年产值超20亿元的跨地域、综合性企业集团,连续五年进入全国民营企业500强行列。目前,彪马集团与中国一拖集团、东风集团等建立战略合作关系,整体兼并洛阳福赛特汽车股份有限公司,预计扩容产值达到70亿元,产品种类涵盖1~35吨的各类重、中、轻型卡车,各类专用车,皮卡车,具备年产整车8万台的能力。彪马集团立足于向创新与管理要效益,通过模块化创新战略推动产品生命周期管理、大规模定制生产和新产品开发,为打造“百亿彪马、百年彪马”,实现二次腾飞奠定基石。
  为推动集团公司汽车制造主业的可持续发展,彪马集团正探索一种我们归纳为“模块化集成创新”的产品开发新模式,使传统的整车一体化开发转变为模块化的并行储备式开发,即通过模块化车族化设计、PDM管理、和信息化“产品池”开发战略,支持整车制造实现快速、低成本的大规模定制。作为载重汽车、专用车和农用车的专业制造商,彪马集团的面对的市场具有个性化需求普遍、价格弹性大、提货时间要求高的特点,目标客户主要是专家型客户。为赢得市场竞争,集团公司在整车设计、制造上必须具备敏捷、快速和满足市场个性化需求的能力。为此,彪马集团在整车制造系统建立起模块化集成的产品开发系统和集中的采购供应中心,以此支持快速、柔性的产品开发、制造、供货能力。具体体现为,集团公司整车生产系统能通过初具雏形的“模块化集成创新”商业模式,在7天之内完成从“接受定制订单→设计→制造→装配→出库→提车”整个商业循环周期,比行业同类龙头企业缩短了一半以上的周期。这种商业模式通过具有模块化特征的设计、采购、仓储、供货、装配、制造和集成化环节实现从组件模块化到整车开发的敏捷化和柔性化,整车选配的子系统模块均通过市场机制在集团内外部供应商中择优选择,通过竞争使优秀的供应商脱颖而出,整车开发系统由此实现从传统的自上而下的层层控制模式,转变为自下而上的动态模块化选配模式,不仅大大缩短了整车开发和制造周期,而且明确了供应商的质量责任,便于控制,分散经营风险。
  在彪马集团,“模块化集成创新”模式的实质是要利用模块化的途径对汽车产品开发系统进行再设计,使得新的产品开发系统围绕产品系统模块化结构设计、子系统编码和测试、模块化界面设计、上下游模块化协同分工设计实现快速的整车模块化集成创新。彪马集团通过以模块化集成为特点的整车产品开发,有效地降低系统结构设计的复杂性,提升系统设计的系列化变形能力和设计柔性,使整车开发具备通过吸收先进的子系统模块提升整车性能、质量的能力。并且通过“模块化集成”有效整合供应链中优秀配套厂商的核心能力,通过吸收供应商参与产品开发和设计,快速推出符合市场需求的“模块化产品簇”,满足载重车市场小批量、差异化的定制需求。
  为深入实施模块化集成创新战略,发挥模块化设计的柔性整合能力,集团公司以整车开发为核心形成模块化的“整零协同关系框架”。即形成围绕整车制造和开发的四层次环状靶心结构:靶心是整车厂;第二环是核心零部件企业;第三环是骨干零部件企业;第四环是协作企业。为推动彪马集团与零部件供应商结成的“模块化采购供应系统”向“模块化设计协同系统”进化,彪马集团必须与一、二级配套厂商形成紧密的技术协作关系,要求配套厂商参加集团整车的概念设计,分担新车型子系统模块的设计任务,为整车厂提供系列化的敏捷子模块等。而整车厂则通过委托设计、图纸认可和共同设计等途径,扩大与供应商进行协同设计的广度和深度。在整车模块化开发上,开发团队通过综合运用“分割”、“替代”、“排除”、“扩展”、“归纳”和“移植”六种工具选配特定子模块,实现模块化的积木式设计,保证生产系统可以根据用户个性化设计要求,迅速从“产品池”提取设计样板,通过个性化改进后,快速完成整车的制造和交付。
  
  参 考 文 献
  [1]Remko I van Hock, Harm A M Weken. The Impact of Modular Production on the Dynamics of Supply Chains[J]. Logistics management,1998,(2):35~50.
  [2]鲍德温, 克拉克. 设计规则――模块化的力量[M]. 张传良等译. 北京:中信出版社,2006
  [3]青木昌彦. 比较制度分析[M]. 周黎安译. 上海:上海远东出版社, 2001.
  [4]青木昌彦,安藤晴彦. 模块时代:新产业结构的本质[M]. 周国荣译.上海:上海远东出版社, 2003.
  [5]Baldwin C Y, Clark K B. Managing in an Age of Modularity[J]. HarvardBusiness Review ,1997 ,75 (5)84~93.
  [6]Sturgeon, T. Modular production networks: a new American model ofindustrial organization [J]. Industrial and Corporation Change, 2002,11(3).


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