汽车与交通运输行业基于整车模块化的企业战略实现

行业白皮书

引言

为了提升销售数量和市场地位，汽车OEM厂商必须采用综合性的战略，在不断降低成本、提升质量和加快产品上市进程的同时开发创新型产品。而能实现这些目标最有前景的战略之一就是模块化。整车模块化可分为三大类别：产品架构、生产流程和近期出现的“战略”模块化，而以前的模块化主要关注在制造领域中如何降低生产复杂性，并加快装配完成时间。

在汽车行业全球化的环境下，模块化概念获得了更多的关注，因为它作为一种促进新产品成功推出的方案，更加明确地把大型汽车制造商（OEM）的研发和制造战略连接在一起。

模块化为汽车行业带来的效益

现今汽车行业中一个关键的企业级差异化因素就是具备以高质量和最低成本快速完成车辆的设计和制造的能力。模块化是实现这些目标最佳途径，并能够为企业建立以下行业优势：

·通过减少对新部件设计、采购、工程验证的需求以及对工装和设施开发的需求，加快产品的上市进程；
·通过降低专用设施、材料、工装和设备的成本，降低产品成本；
·只需要关注整车局部构成变化的工程和制造研究，提高投资效率；
·通过尽量避免未经验证的部件、工具、流程和信息，规避有关的质量问题，提高产品质量；
·通过避免不必要的新制造流程、设备和设施，加快新车型生产准备进程。

这些优势对汽车制造商而言非常重要。预计通过模块化可以节约一次性费用支出成本可达 20% ，缩短开发时间 30% ，单位产品成本降低 20% 。成本降低的最主要因素包括劳务薪酬的降低、原材料成本的节省和装配效率的提升。

TheMQBplatformisprojectedtogeneratesavings1ofEUR14bn by2019,withnettailwindofEUR2bnin2013eanings

Source: Morgan Stanley

成功实施模块化面临的挑战

相当数量的OEM厂商正在引入模块化战略。到目前为止，汽车制造企业已经有许多措施进入实施阶段，但是仅在有限的范围和规模上实现部分的效益。汽车制造企业认为一些因素阻碍了这些措施产生效益，具体而言：

·管理多个项目和平台之间的依存性带来的流程问题；
·整车架构的数量和多样性；
·无法清晰地辨识模块化所需投入的企业级成本和成果；
·孤立的组织结构问题，缺乏明确的角色职责职能定义，，缺乏针对扩展型企业跨部门管理不同群体的能力。

下图总结了汽车企业和其他制造企业中最常见的一些经验。

模块化和重用实际情况

引起这些挑战的根本原因往往是企业采用的产品开发流程组织方式、激励设计工程人员加快产品上市进程的管理策略和评估方法待优化，并缺乏知识/IT工具进行产品信息的组织和分类。具体而言，企业列出了三大方面的问题：

组织方面

·目前用于鼓励模块化，通用化重用的流程和指标相当薄弱甚至不存在；
·组织（孤岛）结构不易于模块化和通用性机会的沟通，职能/职责不明，企业文化变革不确定；
·缺乏对如何将模块化战略与供应商管理相集成的理解。

流程方面

·随着市场的动态变化以及整车架构的演进发展，难以基于常规性的开发流程方法支撑跨项目，跨平台业务的复杂性；
·项目时间计划进度的要求往往对前期规划分析工作造成很大的压力，使团队不能预先充分了解和掌握总成系统及零部件的工程开发需求和规范，以及对制造流程和相关线旁物料需求的影响，从而减少了通过模块化实现通用性和重用的机会。

·不完整或未明确的需求；

·理解模块化及其对供应链影响之间的依存性，并由此产生的后果。

评估方面

·难以在整车架构层级上制定适宜的模块化制定目标；
·模块化指标被新产品导入（NPI）项目指标和交付项（重点强调进度计划指标和成本指标）淹没；
·对基于模块的通用化解决方案反而会“推高成本”的观念阻碍了模块化的发展，而又缺乏用于评估非通用化决策在增加企业层面成本的方法；
·各种不同的合理需求阻碍了模块化/通用化。

达索系统愿景：优化产品开发流程的原则

不同的整车结构组成（从标准件到系统总成）对有形和无形资产的重用具有不同程度的适用性。例如紧固件和散热器盖等标准部件对有形资产的重用具有较大的潜力，所以能实现高度的设计和工装通用化水平。与此相反，车身结构等高度工程化和定制化的结构对实现有形资产通用性的潜力就较低，因为不同产品线之间的风格不同，但其仍具有较大的无形资产（如产品架构和产品技术）重用的潜力。

虽然对高度定制化的结构而言，实际设计的通用化潜力较低，重用无形资产仍然具有显著的价值，任何成功的模块化战略都不容忽视。此外对汽车这类极为复杂和高度工程化的产品而言，顶层的产品架构会自上而下地对组件的通用可行性造成严重影响。这主要是由于内部组件间兼容性需求及其相关约束条件造成的。

一般来说，企业期望通过以上两种形态的通用化战略落地，来改善产品的物料组成成本。然而模块化措施还能带来其他切实积极但容易被忽视的成效，比如缩短设计时间、增强质量、减少资本投资。

为从整体上把握模块化带来的机遇，达索系统建议汽车OEM厂商采用三个层级的战略：

三级通用性战略

基于整车模块化的企业战略实现

·第一层级是平台层级的模块化，可降低生产设施和工装的固定成本，并通过利用前文探讨的IP重用，实现快速产品开发；
·其次，需要部件层级的通用化战略来实现规模经济，改善部件质量水平，最大限度地减少后期工程变更；
·最后，在平台层和部件层之间需要规划一个明确的通用化功能层，使用精确的方法并为基于IT工程和设计工具提供支持。

达索系统（DS）对已经采用模块化方案的行业客户进行了相关的经验分析，且针对成功的模块化实施制定出了通用框架。该框架明确地定义了关键成功因素以及用于全球部署和执行的关键实现方法。这种模块化实现方法同时覆盖有形资产和无形资产，将模块化定位于产品开发生命周期的核心。基于DS客户通用化经验和方法的观察分析，我们成功地确定了的关键成功因素（CSF）。通过与每个CSF相关的实现方法的优先级排序和行业适配后，可专门帮助汽车领域推动实现模块化战略。

关键成功因素和相关实现方法

ReferenceArchitecture

在通用物理架构（GPA）和产品工程版本之间运作，可同时用于工具和方法的虚拟可行性评估。它基于企业的历史知识资产进行组织创建，包含所有的CBB及其依存性清单，即一个CBB对其他CBB的影响。

CommodityFramework

由结构、工具、技术和管理方法构成，同时根据企业战略和市场需求为企业范围的商品开发实践提供支持。

GenericProductDefinitionApproach

支持由企业级平台战略的全局GPA中衍生出产品架构，并将需求驱动方法整合到产品选择流程中。

执行模型

·执行模型由管理架构、指标、评估方法和实现跨组织的有效控制和协调技能及行为组成。借助精确的管理制度，例如架构开发委员会、开发委员会、商品委员会和执行委员会，就可以实现执行模型。

关键技术实现方法

需求管理

为确保模块满足其性能指标，必须具备衍生、管理和验证需求/规格数据的能力。许多大型制造企业中的当前实践都是围绕“需求驱动”设计流程构建而成。即工程人员/设计人员从多种不同类型的需求文档中（如Word、PDF、Excel等）获取数据。相关示例包括由下列需求构成的规格：功能性需求、官方及行业标准、环境法规、制造需求和服务需求。这些文档会被分解到各个层面，从高层次的整车技术规格，到子系统规格和组件的技术规格。然后根据这些文档，用户可以直接找到他们的CAD模型，并开始几何模型创建流程，以满足具体组件的性能特征需求，在通常的管理模式下，系统规格和产品几何结构之间不存在跟踪能力。

为实现模块化，需要对业务需求、客户的声音（VOC）需求、竞品对标信息进行管理，以便将前期用户需求定义与产品需求规格关联在一起。这样需求就可以正式地通过结构化的方式实现关联，或是非正式地通过所需的临时关系实现关联。此外，还便于用户在制定决策的时候观察产品需求规格与客户需求和业务目标的完整关联情况。至关重要的是这些需求必须在开发流程中和本文描述的的后续工程工作中具备可跟踪性和可执行性。

产品功能/产品组合管理

模块化战略的一个主要目标是从产品研发和制造的角度降低复杂性。为了管理复杂性，必须捕获和协调子系统或模块将要执行的实际“功能”，以及其适用整车结构的具体位置。降低内在的复杂性，有助于工程人员更好地判断使用什么样的具体模块，用什么样的方式来满足具体的需求。

如果能够更好地理解需求分解以及“做什么”和"怎么做”这样的关键问题，我们必须扩大我们的开发框架范围，使之超越需求结构和部件结构。我们必须囊括适用于答复这些问题的框架，而且该框架作为开发流程组成部分必须具备独立的和基础性的价值。引入这功能（F）结构和逻辑（L）结构这两种结构来答复这些问题，可以显著改善我们对开发流程和产品的理解。

在需求（R)结构和物理（P）结构之间插入的结构包含功能结构（F）和逻辑（L)结构。功能定义和关系有助于我们理解正在开发的是“什么”，逻辑结构能帮助用户定义“怎么做”来实现用户的目标。将这些新结构结合在一起，就可以把传统视图转换为需求、功能、逻辑和物理结构视图。然后我们就可以协调这种结构与产品组合一致，达到实现整车BOM（物料清单)的目的。

需求、功能、逻辑和物理组件

复杂性管理

完整的系统解决方案需要创建市场营销特征结构，用于表示整车如何组织以满足客户需求。在包含配置引擎的统一系统环境中，市场营销特征将与企业级BOM和/或CAD部件结构建立关系以体现可能的配置变化。随后通过市场营销特征结构中某些项目的选择，解析并创建满足市场特定需求定义的BOM/CAD结构。

市场营销特征结构的定义通常与客户对汽车的特性理解相关。市场营销特征通过包容规则与企业级BOM中的部件关联。而这些BOM部件则与CAD部件结构建立关联。随后使用一套配置规则来管理市场营销特征和BOM/CAD结构之间的关系。这些规则为选择特征和解算BOM提供配置化机制。通过平台需求与合适的对象关联，就可以实现并维持需求追踪能力，同时为某些决策的确定提供上下文参考环境。

接口管理

接口管理包括接口的标识、定义和控制，是帮助确保系统各个部分协调运行以实现系统目标，并在整车生命周期中经变更后仍然能继续整体运行的基本要素。在整车项目早期精确定义接口是及时成功开发产品的关键所在。随着整个系统分解为模块，各领域之间的功能接口也被确定。这些接口通常包括与电气信号、功能流程、能量或几何结构（例如物理）接口有关的功能数据参数。能够管理这些接口，并掌握某个接口点上的问题何时会导致模块功能失效是一项强大的能力。

协作和技术传递

由于供应商更深入地整合到了整车工程开发的过程中，他们就必须具备与OEM厂商在线安全地查看、检索、修改和共享相关数据的能力。此外还迫切需要建立稳健的业务流程管理功能，以便供应商能无缝参与到制造商关键业务流程的执行中。其中包括进行同步的和异步的知识共享的能力，如一体化流程管理、联合评审以及用于管理经验积累的知识库。由于与供应商的互动显著增加，共享和保护IP的必要性也至关重要，因此有必要根据OEM政策采用安全模型支持供应商的访问，同时为所有供应商交互提供历史信息和跟踪能力。

为支持同步协作，需要对相关项目信息进行实时访问，以便供应商能成为模块设计、质量和执行流程中不可或缺的一部分。多个供应商可承担不同模块的职责，以便供应商在同一整车项目上开展协作且具备不同的视图和访问权限。同时分配的还有零部件质量控制计划，以确保供应商遵循标准化质量改进和工艺流程，以及相关的最佳实践。

工艺规划和机器人编程

模块化由于其带来的功能独立性，往往被作为优秀设计的目标。行业正在努力实现产品的模块化，使之具备满足最终用户和市场营销需求的灵活性。企业基于模块化方法能快速地创造一系列的产品家族。有时模块是仅仅基于对生产某些方面的理解，而没有充分理解生产工艺约束的情况下完成的。在这种情况下，往往虽然通过研发能够提供具有强大功能的产品，可一旦把整个制造工艺流程纳入考量范围，这种无序的模块化往往就会导致重新设计或昂贵的生产制造成本。

模块化要求在不同模块中维持组件和工艺流程之间的独立性，鼓励同一模块中所有组件和工艺流程的相似性，保持模块之间的可互换性。面向制造的模块化要求了解每个组件的每种特性所经历的各种制造流程。

面向装配的设计（DFA）能够在生产过程中实现大幅度的节省。降低装配成本的一个方面是最大限度地减少产品中的总装组件数量。而模块化产品通常需要较少的组件用于最后装配。通过增加预装和使用通用接口，模块化可降低装配成本。模块通常由供应商预先装配提供，但未必是实现最低成本的最理想选择。

面向制造的设计（DFM）可改善产品设计，降低制造成本。增强组件和子系统中的通用性是模块化设计的关键组成部分，可减少加工工具的数量和组装过程的变化。此外模块化可增加使用特定加工或组装流程的组件数量，从而产生积极的规模经济效益。

在定义产品的制造模块时，一个重要的考量因素是如何选择抽取制造工艺流程的颗粒度层级。产品总体的制造工艺流程由众多专业工艺组成，而这些专业工艺又由众多工序构成。从总体制造流程的角度（比如注塑成型与锻造成型相比）出发，可以将整个产品看作模块（独立且相似）。但从更底层细分的工艺组成出发，就制造流程而言，模块性就略显不足（比如模块内的夹具组件的相似性）。因此在定义产品的相关制造模块时，用户必须同时定义制造流程中对应的专业工艺和工序。这项工作需要与与产品的层级的抽象定义结合考虑。

“数字化制造和生产”领域中的工艺流程规划和生产线平衡功能可为创建、共享和体验制造流程以及自控设备程序提供自然的3D交互环境。在实际生产制造之前，用户可在虚拟环境中设计、规划、仿真和优化生产系统。对模块化而言，这有助于最大限度地提高生产效率、降低成本、提升质量和缩短产品上市进程。用户可根据常规的工时评估计量方法或企业专有的工时标准高效可靠地确定完成具体工序作业所需的时间，并确定其对整体制造工艺流程的影响。

结论

有证据表明将模块化用作为战略实现方法能够：

·提升产品的多样性和战略灵活性
·实现规模经济
·缩短生产准备时间
·降低资本/总体成本
·增强产品/组件变更的可行性

实现模块化，提高重用率一直是对众多制造企业面临的一个挑战，挑战主要来源是企业自身系统地驱动产品规划和产品验证的能力有限。达索系统解决方案架构能帮助汽车OEM厂商将实现成功模块化战略所需的关键业务和技术实现方法相联系。此外在提供一体化R/F/LP功能、整车配置、接口管理和协同功能，达索系统能为行业客户提供最为先进，独具价值的整体解决方案。

达索系统提供独特的技术解决众多模块化面临的挑战。由于采用原生相关性的模型，这样更易于描述和设计复杂系统，通过优化、丰富、捕获和保存实现知识重用。此外，在构建物理原型、测试和选代设计周期之前就在虚拟环境中完成相应的验证工作，有助于发现和了解失效模式，从而提高质量、降低成本、节省时间。

此外，还能在无法达成设计目标时，立刻明确哪些需求未能满足，而相反地，在需求发生变更时，立刻明确哪些设计会受到影响。通过这些技术的应用，实现捕获产品架构的上下文和知识经验，在研发流程中的模块化定义中尽可能早的应用相关知识经验，同时为产品研发开发后期制定详细决策提供有价值的上下文信息。

更多信息，敬请访问：www.3Ds.com/transportation。

我们的3DEXPERIENCE平台服务于12个行业，能为各品牌应用注入强大动力，并提供丰富多样的行业解决方案体验。

作为一家为全球客户提供3DEXPERIENCE解决方案的领导者，达索系统为企业和客户提供虚拟空间以模拟可持续创新。其全球领先的解决方案改变了产品在设计、生产和技术支持上的方式。达索系统的协作解决方案更是推动了社会创新，扩大了通过虚拟世界来改善真实世界的可能性。达索系统为140多个国家超过17万个不同行业、不同规模的客户带来价值。如欲了解更多信息，敬请访问：www.3ds.com。