模块化设计下的复杂产品成本测度研究

齐建民，钟 军

(1.中国石油大学经济管理学院，山东青岛266580;2.塔里木油田勘探开发研究院，新疆库尔勒 841000)

复杂产品系统(Complex Product Systems，CoPs)是指研发成本高、规模大、结构复杂、技术含量高、单件或小批量定制化生产的、集成度高的一类产品或系统［1］。当今客户对复杂产品设计的关注点主要集中在三个方面:质量、成本、交货周期。在新技术不断应用的今天，质量和交货周期的可靠性越来越高，成本成为关注的焦点。复杂产品的成本竞争力在很大程度上决定了其市场竞争力［2］。

同时，随着客户对个性化、定制型产品需求的增加，复杂产品的开发逐渐依赖于模块化设计，模块化设计是解决复杂产品定制化、创新成本高问题的一种有效方法，该方法在复杂产品设计中广为采用。模块化设计理论上可以缩短设计周期和提高用户化程度，同时又可以降低成本，增强企业的创新能力，模块和知识的重用可以有效地解决设计滞后于生产的问题。然而中国企业复杂产品在设计过程中存在模块划分模糊、模块成本测度不清等问题，导致了项目或部门研发投入测度不清，严重影响了企业决策的科学性。因此，在复杂产品设计阶段提供细致准确的成本测度信息，对复杂产品的成本控制和价格制定具有重要的意义［3］。

一、模块化设计与复杂产品成本测度

(一)复杂产品模块化设计

模块化是一种新的标准化形式，也是一种现代化设计方法，关于模块化理论的讨论很早就有，但是在很长一段时间里模块化只是作为一种工业设计的方法。最早对模块化进行系统性研究的是西蒙，他在1962年的《复杂性结构》一文中，对手表工艺过程进行了研究，提出了模块的可分解性，阐明了模块化对于管理复杂产品系统的重要性。鲍德温和克拉克指出，模块化现象已经从生产过程扩展到了设计过程，敏锐地指出了模块化对产业结构调整所具有的革命性意义，得出了经济时代就是模块化时代的结论，于是产生了模块化理论［4-5］。青木昌彦提出了模块集中化的两种模式，包括事先规定了模块之间联系规则的A模式、模块联系规则可以不断改进的J模式。国内学者近年也对模块化设计与生产进行了大量研究，在研究模块化理论应用方面取得了一定的进展。韩庆兰以模块化设计为基础，建立了成本估算模型和以模块为对象的成本控制模型。李婉建立了复杂产品系统的模块化分解模型，根据这一模型，企业可以结合自身产品特点优化模块分解的数量。在信息化的今天，模块化设计被越来越多的企业用于复杂产品的开发过程，模块化为复杂产品的设计开发创建了良好的平台。产品的开发过程可以被分解为许多独立的模块，这些模块是模块化设计的基本元素，是一种半自律性的子系统。这些子系统通过与其他子系统按照一定的规则组合成更为复杂的系统，完成整个复杂产品系统要求的功能，以满足市场的需求［6］10。模块化设计在设计思想上是对传统设计的一种创新，是一种新的标准化形式，已成为以计算机为工具、以模块化为设计目标的各学科交叉融合的新领域。本文研究的基础就是复杂产品系统的模块化设计。

实践研究表明，一项新产品对于新材料和新技术的应用不应超过总材料和技术的25%，否则产品的可靠性难以保证［7］。复杂产品的模块化设计正是依据这一基本原则，将模块分为基型模块和变型模块两类。基型模块是企业长期使用并经多次验证的模块，具有精确的设计参数和成本数据，属于具有稳定结构的模块;变型模块是以变型设计为对象的需求模块，在复杂产品基本结构不变的情况下体现功能上的差别。复杂产品的模块化设计通常由基型模块的不同组合以及变型模块的开发构成新的产品结构，而产品结构一般被描述为功能需求、模块功能和模块(包括基型模块与变型模块)的映射关系［8］。复杂产品的设计可以认为是选择恰当的设计参数描述模块，实现产品结构的功能需求，用公式表示即

其中，Rf是产品的功能需求;A是设计矩阵;Pd是设计参数矩阵。

图1描述了复杂产品模块化设计的基本模式。复杂产品的设计流程一般是通过市场调研对有某种需求的新产品的功能进行设计，而这一功能映射在产品上表现为某些技术参数的变化或增加，对产品的影响表现为产品结构的改变或新材料的应用。产品结构变化和新材料是变型模块设计的基础，也是导致模块成本变化的根本原因。因此，功能需求分析和产品结构研究是复杂产品模块化设计的起点。企业根据客户对复杂产品功能的需求进行系统分析和架构设计，针对CoPS结构特点和技术指标进行模块分解，把整个系统划分为若干基型模块和变型模块，每一模块又包含若干零部件。部分零部件需要定制，称之为新零部件。

复杂产品模块化设计综合考虑了产品对象，把复杂产品分割成不同用途和性能的模块，并使模块的接口标准化。模块接口的标准化保证了模块的互换性，从而易于实现复杂产品的快速变型设计［9］。企业通过选择不同的模块可以迅速组成各种客户需求的产品。模块化设计推进了产品创新的速度，提升了企业的竞争力;大量基型模块的重用、并行产品的开发大大缩短了设计周期、采购周期和制造周期，降低了设计成本［10］。

图1 模块化复杂产品的设计过程

(二)模块化设计与复杂产品成本测度的关系分析

复杂产品大多属于多学科综合型产品，而且包含了较高的技术含量［11］，例如大型的电信通讯系统、大型计算机、航空航天系统、智能大厦、高速列车等。复杂产品的复杂性表现在很多方面，从设计、销售、生产到售后服务过程复杂，呈现层级结构，包含了大量的子系统和功能部件。同时，复杂产品具有品种多、批量小、技术含量高、开发难度大、创新成本高等特点。根据上文分析，复杂产品往往可以划分为许多复杂的定制化的模块，各模块以层次链的方式集成，模块自身具有用户定义和高成本的特性，例如波音飞机的发动机由2 000多个元器件组成，根据模块化原理按照功能将这些元器件分成若干个模块，其中很多模块是为飞机发动机定制的。因此，复杂产品的设计通常需要结合模块化模式实现低成本、高质量、快速响应市场需求的目标［6］3-4。从成本构成上来说，复杂产品成本具有如下特性:

1.创新资金投入多、技术开发人员投入多

近年来，中国复杂产品生产行业的研发投入强度(研发经费与主营业务收入之比)远超过中国一般产品投入强度的平均水平，且一直呈上升趋势。调查数据表明，中国CoPS项目创新投资平均达到1500万元，而且CoPS项目创新投入的技术人员也相当多，平均一个CoPS项目从市场调研开始到产品系统上市投入的技术人员达到200人/年(指创新工作量折合成一个技术人员每年的工作时间)。①

2.成本构成复杂

复杂产品一般伴随着高新技术的应用，设计、研发成本在总成本中所占的比重相对较高，成本的构成比较复杂而且难以控制［12］20-23，各种原材料(包括辅助材料)和数以万计的零部件需要经过复杂的加工、装配和检验工序才能完成，其结构和工艺的复杂性给成本核算带来了极大的困难。

3.成本测度困难

复杂产品包含大量的模块和子系统，如飞机包括液压系统、起落架系统、飞行操纵系统、座舱环境控制系统、防冰排雨系统、燃油系统、防火系统、电子系统等。复杂产品一般是一次性或小批量生产，不具有规模经济和学习效应，大量的成本发生在设计与集成阶段，但是在这两个阶段难以实施传统的成本测度方法。传统的成本测度方法往往是在产品设计定型以后，根据产品结构将各部分消耗汇总之后得到产品总成本［12］20-23，然而复杂产品在设计阶段可能存在大量的成本失控、设计差错所致的修改和追加工作量，这是传统的成本测度方法无法精确测算的。因此，笔者认为有必要寻求新的成本测度方法对复杂产品的变型设计进行测算。

基于以上分析，在采用模块化方法对复杂产品设计时，成本测度成为一个关键问题，因为成本的精确测度、成本在不同模块和产品之间有效的分配是精确反映产品成本、确定产品价格的根本依据，也是一直以来被理论界和实务界所关注的问题。本文在研究时以基型模块为基础，以其成本作为标准成本，通过调用成本数据库，对组合后的成本进行测算，将测度结果作为参考，通过市场调研相似产品或对该模块成本进行详细追踪，实现基型模块成本的标准化。对于变型模块则通过与基型模块的技术参数进行对比，通过测算两者的相似度确定相似的变型模块和需要重新进行成本测度的变型模块，进而对复杂产品的完全成本进行测度。完全成本包括直接材料、直接人工和制造费用。对于相似模块可以基型模块成本数据库为基础，同时考虑变型设计需要调整的技术参数和产品结构来测算变型模块成本［13］。如果变型模块与基型模块差异较大，则可以认为是设计全新模块，在此，本文引入作业成本模型来测度该种变型模块的成本②。这一分析模式是基于生产企业单期静态数据进行的，并没有考虑时间序列和生产环境变化的影响，在以后的研究中需要进一步分析当时间或环境发生变化之后的模块成本测度模型。模块化设计下的复杂产品成本测度关系模型如图2所示③。

二、模块化设计下的复杂产品成本测度模型

图2 模块化设计下的复杂产品成本测度模型框架

从设计成本测度方法来说，按照估算原理可以归纳为两大类:(1)基于统计和参数拟合的方法，目前这类方法比较成熟的有回归分析估算法、参数成本估算法、类比成本估算法、功能成本估算法、基于神经网络的成本估算等，如T.Farineau、B.Rabenasolo、J.M.Castelain等对分析估算法、类比法、参数法进行了对比分析。Dean Ting等提出了模糊多重属性效用模型，并对这一方法进行了优化。德国的Bode建立的BP神经网络在成本估算中得到了成功应用。(2)分析估算法，包括作业成本估算法、工程成本法等。本文拟采用作业成本模型来测度模块成本。前文已提及，作业成本模型已经被广泛应用于复杂产品成本测度，而且作业成本法的研究表明，作业成本信息能够为企业的能力改进与管理决策提供有力的支持。Ozbayrak M.A.等也将作业成本法引入成本估算中，但他们的研究主要是考虑如何将作业成本法应用于推式/拉式制造企业中进行成本估算。韩庆兰则以模块化设计为基础，建立了成本测度模型和以模块为对象的成本控制模型。申亚楠、郭春明也运用模糊多属性效用理论基于作业成本法的参数成本估算细化了成本估算过程，建立了成本估算模型。

根据作业成本模型，笔者将变型模块的成本消耗分为三类:直接材料、直接人工、制造费用。其中直接材料成本是根据变型模块的BOM和成本定额(或材料的采购价格)进行测算的;直接人工是根据使用的人工数量和工资标准进行测度的;制造费用是根据该模块消耗的成本动因数量和成本定额进行测度的。

令:CT表示复杂产品总成本;CM表示模块成本(基型模块成本表示为CMJ，变型模块成本表示为CMB)。由于复杂产品包含若干基型模块与变型模块，每个模块又包含若干零部件，模块成本均是多元的，因此下述公式应为矩阵形式

由于基型模块的结构和成本是固定的，通常有详细的参数、指标和成本数据库，将基型模块设定为标准模块，其成本设定为标准模块成本矩阵CMJ，矩阵表示为其中，J表示基型模块，行向量表示具有不同参数的基型模块成本，列向量表示不同类型的基型模块成本。

由于模块是复杂产品功能需求的载体，基型模块成本通过调用成本数据库，考虑价格变动系数即可测度。变型模块是在基型模块的基础上由于结构、参数等指标的变化，导致材料、加工等成本相应发生变化，若变型设计是在基型模块的基础上仅由于尺寸、结构等变化而来的，则变型模块与基型模块就存在较多的相似性，可以在基型模块标准成本库的基础上，通过测度变型模块与基型模块的相似度来测算两者的成本差异，进而测度变型模块成本;若变型模块与原基型模块有较大差异(如对基型模块进行了根本性的变革或设计了全新的模块)，则需要重新测度其成本，矩阵CMB表示变型模块成本矩阵:

该矩阵实际上是上述基型模块成本矩阵的拓展矩阵，第一列表示某一类基型模块成本，后面各列则表示在该基型模块的基础上实施变型设计所得的各变型模块成本。

如上所述，当变型模块与基型模块相似度较高时，则主要考虑两者差异，即变型模块成本为

式中，C'R表示人工成本差异;C'C表示材料成本差异;C'Z表示制造费用差异。

若变型模块与基型模块差异较大，本文以CC表示直接材料成本，CR表示直接人工成本，CZ表示制造费用，采用以下作业成本模型对该变型模块进行成本测度:

其中:

式中，QC表示变形模块消耗直接材料的数量(来自于变型设计的BOM);PC表示直接材料的采购价格(或加工成本);QR表示直接人工人数;PR表示直接人工的标准工资;DB表示某变型模块在分配制造费用时消耗作业动因的数量;RB表示单位作业消耗资源动因的数量;PB表示单位资源价格。由上式可以看出，变型模块成本在很大程度上取决于作业频率和作业消耗资源的数量。变型模块消耗作业的次数和种类越多，资源的价格越高，则变型模块的成本就越高。因此，在测度变型模块成本之前首先要确定作业标准和资源消耗标准，并统计出成本动因率和资源价格。

综上所述，模块设计下的复杂产品成本测度，首先，应将复杂产品的功能诉求转化为产品的特性，建立客户需求与设计属性之间的关系矩阵;其次，通过实验设计获取复杂产品变型模块耗用的作业动因量;最后，建立产品特性与作业动因之间的函数关系，对复杂产品变型模块消耗的作业成本进行测度，进而测度复杂产品的总成本。复杂产品的总成本取决于各模块成本，尤其是变型模块成本测度的准确性。成本测度的最终目的是要实现成本优化和成本控制，因此需要求解使得复杂产品总成本达到最小，再选择最优方案。

三、结论

复杂产品由于其研发、制造过程和结构的复杂性使得成本测度相当困难，模块化设计是复杂产品缩短研发周期、降低成本的一种方法。本文针对复杂产品成本测度问题将模块划分为基型模块与变型模块两类，并以基型模块成本作为标准成本，考虑变型设计与基型模块的差异，分别构建了与基型模块相似的变型模块和全新的变型模块的成本测度模型，并引入作业成本模型对差异较大的变型模块成本进行测度，分析中充分利用了现有成本库的数据，提高了成本测度的精度和效率。

注释:

① 参见陈劲、桂彬旺《模块化创新——复杂产品系统创新机理与路径研究》，知识产权出版社，2007年版。

②作业成本模型已经被广泛应用于复杂产品的成本估算，本文在前人研究的基础上引入了模块化设计思想。

③本图根据黄军彦《基于目标成本法的模块化产品变型设计研究》和李世新等《基于作业标准成本的定制化产品成本估算方法》两篇文献中的流程图，考虑复杂产品设计特点和模块化设计思想整理得到。

［1］K.L.HANSEN，H.RUSH.Hotspots in complex product systems:emerging issues in innovation management［J］.Technovation，1998，18(8-9):555-561.

［2］刘远，方志耕，郭海本，等.一类新型的复杂产品成本控制屋多级规划模型［J］.系统工程，2010(7):83-90.

［3］郭春明，申亚楠.基于作业成本法的成本估算研究［J］.管理工程学报，2007(3):72-78.

［4］C.Y.BALDWIN，K.B.CLARK.Managing in an age of modularity［J］.Harvard Business Review，1997:75(5):84-93.

［5］BALDWIN C.Y.，K.B.CLARK.Design rules:The power of modularity［M］.Cambridge:The MIT Press，2000:13-15.

［6］肖灵机，戴爱明.复杂产品模块化与供应链协同研究［M］.北京:人民出版社，2010.

［7］韩庆兰.基于模块化设计的成本控制研究［J］.控制与决策，2007(12):1381-1384.

［8］侯亮，唐任仲，徐燕申.产品模块化设计理论、技术与应用研究进展［J］.机械工程学报，2004(1):56-61.

［9］高卫国，徐燕申，陈永亮，等.广义模块化设计原理及方法［J］.机械工程学报，2007(6):48-54.

［10］陈劲，桂彬旺.模块化创新——复杂产品系统创新激励与路径研究［M］.北京:知识产权出版社，2007:4.

［11］陈劲，桂彬旺，陈钰芬.基于模块化开发的复杂产品系统创新案例研究［J］.科研管理，2006(6):1-8.

［12］汪小龙.大型复杂产品成本核算系统研究［J］.现代制造工程，2009(4).

［13］黄军彦，李彦发，李文强，等.基于目标成本法的模块化产品变型设计研究［J］.机械设计与制造，2009(7):258-260.

［责任编辑:张岩林］