工业4.0背景下的顾客定制化生产模式探讨

张忠，金青，曹国

(常州工学院经济与管理学院，江苏 常州 213032)

0 引言

随着社会和经济的高速发展，以规模经济理论为基础，产品高标准化的大批量生产已不能完全适应市场的需求，基于顾客个性化需求的定制化生产模式应运而生。2013年，德国提出工业4.0战略，旨在加快信息技术与工业产业的融合，促进制造业向数字化、个性化和服务化方向发展，并在此基础上催生出新的生产方式和商业模式[1]。中国版的工业4.0规划《中国制造2025》融合了互联网等新一代信息技术，这也为定制化生产提供了技术支持。工业4.0将产品的全生命周期与顾客个性化需求相联结，形成及时有效的交互，这将成为制造企业在新型市场环境下的核心竞争力。

定制化生产的研究兴起于20世纪70年代，最初，国内外学者对于定制化生产的研究主要集中在由大批量生产演变而来的大批量定制上，如，B J Pine[2]系统阐述了大批量定制的概念。进入21世纪，科学技术及生产力水平高速发展，顾客多元化、个性化的需求更加凸显，由此，出现了一种面向顾客个性化需求的多品种小批量生产方式。以英、美为主要代表的一些西方国家在研究多品种小批量生产问题时，偏重于“硬件”方面的研究。其中，具有代表性的有成组技术、柔性制造系统等。与英、美等国不同，日本在多品种小批量生产方式的研究方面更加注重 “软件”工程的研究，其最具代表的是丰田汽车创造的准时制生产。随着工业4.0的提出，以提高顾客个性化需求满意度为导向的理念使个性化定制成为产品生产的发展潮流。Rainer Drath等[3]总结了工业4.0的产品具有需求多元化、客户参与度增强和个性化趋势明显等经济特征。Heiner Lasi等[4]认为工业4.0下的创新技术使个性化、定制化的产品也能实现大规模化生产。乌尔里希·森德勒[5]指出信息物理系统(CPS，Cyber-Physical Systems)可以针对不同的设定标准给出对应的生产方案，使生产过程更贴合顾客的个性化需求。国内学者对于个性化定制生产的研究大多是在国外研究的理论基础之上进行创新，邵晓锋、黄培清和季建华[6]将定制化生产和柔性制造、重组技术等相结合进行研究，赋予了个性化定制新的内涵。甘冰[7]从系统管理和技术角度对多品种小批量定制生产进行了定义，并给出了企业在该模式下对生产方式进行优化的方法。工业4.0背景下的顾客个性化定制也是一个新的研究领域，陶金泽亚和吴凤羽[8]探讨了个性化定制的优势，提出了提高用户体验与关注“长尾”部分的市场开发策略。汪志永[9]基于工业4.0背景对智能空调的个性化设计模式进行了研究。

作为制造业未来的发展方向，工业4.0时代的生产模式在满足顾客个性化需求方面更加敏捷。如何基于工业4.0的特点，针对顾客的个性化需求，完善并优化已有的业务流程，并将此需求内化为生产技术要素指标是企业在工业4.0初期实现定制化生产转型所面临的重大问题。本文将在总结工业4.0顾客定制化生产模式特点的基础上，从纵向集体、端对端集成、横向集成的角度分析定制化生产的实现路径，并结合常州GB光电有限公司的定制化生产，采用Petri网、质量功能配置、KJ法和业务流程重组等相关理论和方法展开案例分析，以期为相关制造企业提供参考和借鉴。

1 工业4.0下顾客个性化定制生产模式的特点

定制化生产是面向顾客，在相似性和重用性等基本原理的指导下，在信息技术、模块化技术和先进制造等技术的支持下，集价值链各个环节于一体，充分利用企业已有的各种资源，生产出满足顾客个性化需求的产品和服务的生产方式[10]。相比于定制化生产出现的工业3.0时代，工业4.0下的定制化生产模式关注以下三点。

1)关注“长尾市场”的开发。与传统的“帕累托法则”不同，“长尾效应”认为，当企业采取差异化战略，满足人们个性化需求时，必然导致由“利基产品”(该产品表现出来的许多独特利益有别于其他产品，同时也能得到消费者的认同)构成的长尾的产生，形成以产业集群和非地域性合作为特点的范围经济，这种经济模式所产生的销售份额可以与主流产品的销售份额相媲美，甚至超越主流产品的市场份额。工业4.0时代，由于信息物理系统将人、机器、产品和数据相连，生产过程会通过数据分析和预测来自动选择一种最有效的生产方式，用最少的资源来满足顾客的个性化需求，这种制造模式的变革以及智能制造的推广将最大限度地降低定制成本，利基产品将受到制造企业的普遍关注，“长尾市场”进一步扩大(如图1所示)。

图1 工业3.0和工业4.0下长尾市场的比较

2)企业与顾客之间的信息化交互。顾客个性化需求作为定制化生产价值链的驱动，是整个价值链增值的核心环节。在工业3.0时代，顾客对定制生产的参与仅仅发生在设计阶段，即顾客在确定产品的外观、颜色、功能等之后，移交企业进行生产，产品在生产过程中没有与顾客进行直接的交互。直到验收环节和售后服务环节，顾客才再次参与到价值链的环节中。而在工业4.0时代，顾客将通过IT系统参与产品的整个生产周期，企业在此过程中也必须与顾客进行有效、实时沟通，并根据实际需求对生产过程的相关环节进行调整，以实现双赢。

3)模块化的增量式创新。工业3.0时代的定制化生产即顾客从企业已有的模块(包括颜色、外形、功能等)中进行任意选择和搭配，将产品的多变性与零部件标准化进行有效结合。通过模块的批量生产，在满足顾客定制需求的同时实现了规模经济，降低了企业成本。然而这种生产模式的前提依然是企业“已有的模块”，顾客的个性化需求受制于企业。以家用LED照明灯为例，在工业3.0时代，顾客可以选择LED灯的外观、颜色及具有的一些功能，比如灯光颜色可变等，但相比这些外在的个性化设计，如果顾客对LED灯的显色、环保性等提出更高要求，企业必须从生产工艺上对相应的技术指标做出调整，这是工业3.0的定制化生产所缺失的。工业4.0时代，顾客作为定制化的引导者，可以提出更加多元化、更加深入的个性化需求，设计者针对相关需求修改产品模块和制造过程模块，通过产品模块组合的变化实现增量式创新。企业通过三向集成，实现对顾客需求的快速响应，并与价值网络中的企业对接和合作，以实现对原材料、产品设计(包括工艺设计)、生产管理、物流运输和附加服务等提出一定的要求，从而满足顾客需求。

2 工业4.0定制化生产的实现路径

结合工业4.0定制生产模式的特点，本文从三大集成的角度研究定制化生产的实现路径。从集成边界上看，纵向集成的边界发生在企业内部；端对端集成主要涉及顾客与企业的交流，因此端对端集成的边界在于价值链的边界；横向集成是由多条价值链在不同环节对接形成的价值网络，所以横向集成的边界发生在价值网络的边界。因此，基于工业4.0定制化生产的实现路径必须依据企业实际，逐步实现“三步走”(如图2所示)。

图2 工业4.0的定制化生产实现路径

1)纵向集成。纵向集成是针对企业边界内的各种IT系统集成，优化物理设备和信息系统之间的衔接问题，以便实现定制化生产。工业4.0的主题是自动化、信息化和网络化，为了满足定制化生产，企业首先要通过各个层次的IT系统集成来获取顾客需求信息，同时结合企业内部的价值活动进行业务流程的重组与优化，以便更迅速地响应顾客的个性化需求。

2)端对端集成。利用互联网技术将企业资源信息以及顾客需求信息进行集成，使得顾客的需求信息能够实时地反馈给企业。企业再将顾客需求内化为相关的生产技术指标进行设计。在生产过程中，企业将产品的生产状态及时发送给顾客，并依据顾客的需求变动进行相应调整。企业也可以将顾客的反馈信息进行存储和分析，在后续定制化中更好地满足顾客，同时，获取和存储信息也能促进企业在相关生产环节进行优化。

3)横向集成。横向集成是企业之间的一种集成，制造企业与其他领域的企业，如IT行业，基于一定的标准化数据及信息标准进行对接与合作，以实现企业间的无缝合作。满足顾客个性化需求需要整个价值网络的支持，横向集成可以使企业间能在顾客需求的识别、原料采购、产品设计、生产制造、售后服务等领域实现资源和信息的共享，最终，通过整个价值网络共同满足顾客的个性化需求。

3 实例分析

常州GB光电有限公司(以下简称GB)主要生产家用LED照明灯。工业4.0时代，GB大批量面向订单的生产方式已不能满足日益增强的个性化需求。由于目前企业尚未针对终端消费者建立起完善的服务体系，个性化需求获取渠道也在试运行中，为了提高综合竞争力，GB正积极地进行着从传统制造模式到定制化生产模式的转型。

3.1 GB的纵向集成：业务流程完善与优化

图3 GB面向订单生产流程图

图4 产品实现过程与顾客的信息交互流程

GB的原有生产业务流程是面向订单的，其生产流程如图3所示。 为了满足顾客的个性化需求，GB在原有的业务流程基础上实现了流程的透明化，GB采用射频识别技术，实现产品数字化信息的读取与写入，并将产品实现过程的各个阶段的信息通过推送通知告知顾客。顾客接收通知后，可与后台管理人员进行沟通交流。其信息交互流程如图4所示。 以加工阶段为例，加工人员获取附加于产品之上的RFID电子标签后，使用RFID阅读器读取其中的数字信息，包括产品目前所处状态以及加工各个工序的技术要素指标等。在加工人员读取信息的同时，后台管理系统获知此电子标签被读取的事件和触发此事件的员工信息，并将此信息通过推送通知顾客，告知其产品已进入加工的某个具体阶段，将由某位员工进行加工。顾客在获取信息的同时，可以根据实际情况对需求进行调整，并将信息发送给企业的顾客需求管理系统，系统管理员对需求更改请求做初步审核，审核内容为查看该顾客产品的生产进行到哪个阶段，需求的变更是否与已完成的环节有较强的相关性(如不确定相关性，交由技术人员审核)。若初步审核通过则将审核结果发送给技术部。若未通过，告知顾客，并说明具体原因。通过初步审核的变更请求，由技术部进行二次审核，判别该需求变更请求是否有效(与变更需求相关的生产环节是否已完成，如已完成，需求的更改是否可以经济快速实现，企业现有的技术水平能否满足顾客要求等)。如无效，告知顾客，如有效，对相关技术要素指标进行调整并通过电子标签及时通知加工人员。加工人员根据最后确定的技术要素指标进行加工，加工完成之后将相关数据通过编辑器写入电子标签，并将电子标签和产品一同传递给下一道工序。生产完成后由品管人员检验，若通过，入库；若未通过，返工。

图5 GB面向定制化生产流程图

基于以上对顾客需求获取流程以及顾客信息交互流程的完善，我们采用Petri网模型关联矩阵进行建模分析(限于篇幅限制，本文直接给出该建模结果)，得出了业务流程中相互制约、相互影响的业务关系，得到GB优化后的定制化生产流程(如图5所示)。

3.2 GB的端对端集成:顾客需求获取与企业资源整合

GB原来对顾客需求的获取主要依赖于顾客消费后对产品质量特性的反馈，顾客在此过程中是产品升级的驱动性力量，而非产品设计与生产的驱动性力量。在产品的设计与生产之初就确定顾客需求是进行定制化生产的前提。为灵活、高效地获取顾客个性化需求及顾客对相关需求重要程度的看法，GB与某家互联网公司合作设计并开发了以Internet为基础，用户参与产品设计的网站。顾客登录网站之后，系统会显示公司已有的产品列表以及相关产品的性能属性，在定制化生产的试行阶段，GB摒弃了以往定制化生产只注重外观、颜色和功能增减的观念，而是在此基础之上增加了顾客对于产品本身质量特性的掌控。顾客选择完成之后，相关数据保存到数据库，管理人员会在后台管理系统中实时看到顾客需求详情，并与顾客进行联系询问灯具的使用环境以确保需求的有效性与真实性。

为了更好地探讨GB的定制化生产，本文针对某顾客的定制需求，通过质量功能配置(QFD)将顾客需求的重要度转化为相关技术要素的重要度，并对关键工艺进行控制，完成该顾客的个性化定制。顾客根据自身实际需要，通过网站对LED照明灯在可靠性、环保性、经济性、人为因素等4个维度19个指标上采用两两比较法确定个性化需求的重要度。我们利用亲和图法(KJ法)针对需求细节的相似性进行了聚类，得出顾客需求表，如表1所示。表1中，CRi是顾客对于质量特性需求的权重。

表1 顾客需求展开表

同时，我们给出如下定义：

产品满意度(IMi)是顾客对GB家用LED产品相关质量特性的满意度，分值为1～5，其中1代表很不满意，5代表非常满意；

产品满意度目标值(ITi)是针对各质量特性，以及本公司的市场定位和竞争对手在此质量特性下的满意度而得到的质量要素目标值；

卖点(RFi)是GB家用LED产品所具有的独特优势，用做顾客需求权重的修正系数，共分非卖点、卖点和强卖点，分别用1、1.2、1.5标识；

通过与顾客沟通并结合企业生产实际，得出顾客的定制化需求规划，如表2所示。

技术人员对信息系统中相关指标进行分析，将顾客需求转化为主要的技术要素参数以及影响技术参数的主要工序,如表3所示。

根据GB在ERP系统中已经构建的顾客需求与技术要素的相关矩阵(强相关性5分，一般相关3分，弱相关1分)和各技术要素之间相互依赖关系，可以得到顾客需求和技术要素之间的二维关系矩阵。并借助QFD2000软件完成顾客的个性化需求的质量屋，如图6所示。

表2 顾客定制化需求表

表2(续)

表3 家装LED照明灯技术要素参数集

图6 基于定制化生产的家装LED照明灯质量屋

结合图6和表3得出顾客定制LED照明灯的技术要素重要度排序以及影响指标的主要工序，如表4所示。

为了保证产品能够更好地满足顾客个性化需求，GB制订相关关键工序的控制计划来进行质量监控，如图7所示。

其中，由于光通维持寿命和防护等级的检验属于破坏性检验，因此，在胶体填充工序中，将胶体的固化温度作为此工序过程特性加以控制。

表4 技术要素重要度排序以及影响指标的主要工序

图7 顾客定制化生产关键工序控制计划图

3.3 GB的横向集成：顾客需求信息在制造网络中的及时响应

在工业4.0时代，满足顾客个性化需求是企业新的价值增长点。GB为了进一步提升企业的价值获取能力，结合顾客的个性化需求对业务流程进行了重组与优化，并在此基础上通过“互联网+”技术和企业ERP系统，实时获取顾客个性化需求指标数据，通过质量功能配置完成顾客个性化需求到生产指标权重的转化，并据此对实际的生产过程作出相应地调整和控制，使企业的生产活动能及时有效地响应顾客个性化需求。通过实施面向满足顾客需求的一系列措施，GB在提高顾客满意度的同时也进一步延伸了企业的价值链。

4 总结

工业4.0的信息物理系统使得产品设计、生产管理以及服务过程实现数字化、网络化和智能化，从而实现了对顾客需求的快速响应并付诸行动。相比于工业3.0，工业4.0时代的生产模式在满足顾客个性化需求方面更加敏捷。基于工业4.0对个性化需求的实现路径的研究，能有效地帮助制造企业在业务流程上进行优化，以实现企业对顾客个性化需求的快速响应，并将顾客需求转化为相关产品的技术指标要求。本文在对国内外文献整理的基础上，结合被调研企业的运转状况，总结出工业4.0定制化生产的特点，并对企业如何完成从顾客个性化需求到生产指标的转化路径进行了实证分析，从三大集成的实际运用角度进一步完善了工业4.0的实践体系，也为工业4.0背景下的制造企业如何快速响应顾客的个性化需求提供了新的思路。