模块化产品设计的一些思考和体会一、产品开发工作的挑战在剧烈变动的3C时代(客户Customer、竞争Compete和变化Change)，要想赢得竞争的胜利，企业必须通过优化整个产品开发来缩短产品上市时间、提高产品质量、降低成本，同时还要不断通过研发创新来满足客户的变化需求。

技术的飞速进步，引起产品越来越复杂，随着客户对教学产品个性化需求程度的增加，也导致产品定制化趋势越来越明显，企业必须创建数量庞大的产品系列来满足学校不断变化的需求。

随着现代科技的发展，模块化已成为工程产品的主要发展趋势之一，作为标准化的新形式，模块化被视为实现产品多样化的主要途径。

二、模块化产品设计概念1、模块的历史来源模块并不是一个新的概念，早在20世纪初期的建筑行业中，将建筑按照功能分成可以自由组合的建筑单元的概念就已经存在，这时的建筑模块强调在几何尺寸上可以实现连接和互换。

然后，模块被引入机械制造业，人们进一步将模块与物理产品的功能联系到了一起，模块具有了明确的功能定义特征、几何连接接口，以及功能输入、输出接口特征。

2、现代模块化的诞生模块的演变过程是从单纯的几何结构单元，发展到集成功能单元，又演变成为非物理实体的载体，如知识和软件等。

1965年之前，计算机都是整机制造的，当时的设计是相互依赖的，之所以这样是因为计算机系统太复杂了。

在这种复杂性灾难之下，不可能像现在这样按照某种标准，遵照通用化原则，设计具有兼容性的可以实现工业化大生产的产品，使得计算机在当时非常昂贵。

比如1944年在美国国防部的资助下，由J.Presper Eckert Jr 和W.Mauchly领导的小组在宾夕法尼亚大学建造了一台名为ENIAC（电子数字积分计算机Electronic Numerical Integrator And Calculator）的计算机。

生产完全是在试错过程中进行，应用完全是实验性的。

1945年当ENIACt投入使用之后，设计者累积的知识使他们明白了如何建造一台性能更好的机器。

他们把想象中的机器命名为ENVAC，并把计算机系统界定为一种“组合式”制品。

标明其关键组成部分是基本存储器、控制单元、运算“器官”、输入/输出和辅助存储器（IBM360电脑）。

随着计算机软件技术的发展，模块的概念又被用到了非物理产品领域，在软件行业模块的概念被广泛的实践着，大型的软件系统（比如PTC公司的Windchill系统）的模块化趋势越来越明显。

3、模块设计的案例平台化、模块化的产品战略已经有很多成功的案例在世界很多的著名公司中应用。

日本索尼公司在20世纪80年代仅利用4个基础平台的Walkman产品，生产出250余种录音机随身听。

这250种随身听无论在价位、功能和款式上都有很大的区别，可以满足用户的各种不同需求，但是这4个基础平台却存在着大量的重用模块。

“平台”概念最早由大众集团提出并实践，并在PQ34平台上获得了巨大的成功。

PQ24，PQ25，PQ34，PQ35，PQ46，PL45，PQ2，PQ3。

P*4等。

大众现在基本上已经逐渐放弃平台的概念，而采取更抽象的“模块”概念。

分布在德国、斯洛伐克、捷克、比利时、西班牙、波兰和墨西哥等国家的大众公司分厂中生产，可以满足不同市场需求的同时可以共享大众公司整体的技术资源和采购资源。

日本佳能公司的单相机所有的镜头卡口标准是完全一致的EF卡口，同时佳能公司庞大的镜头群可以覆盖各种客户需求，这使佳能公司的产品可以满足从入门的摄影爱好者到职业级的摄影家的巨大客户群的需求。

4、模块设计的意义目前，企业的专有知识越来越成为企业的战略性资源，合理的管理、利用企业的专有知识是赢得竞争的重要筹码！而企业产品中包含的知识是企业知识资源的最最重要部分，因此重用模块就是重用知识，可以大大的节省时间和金钱。

模块化思想发展到今天，知识管理和传统的模块化之间的界限已经变得有些模糊。

由于模块具有不同的组合可以配置生成多样化的满足用户需求的产品的特点，同时模块又具有标准的几何连接接口和一致的输入输出接口，如果模块的划分和接口定义符合企业批量化生产中采购、物流、生产和服务的实际情况，这就意味着按照模块化模式配置出来的产品是符合批量化生产的实际情况的，从而使定制化生产和批量化生产这对矛盾得到解决。

另外，模块实现了抽象的模块功能与具体模块实现之间的逻辑分离，整个产品结构十分清晰，容易从全局上理解和设计产品，使技术进步造成的越来越来复杂的工程管理得到改善。

有些公司又将不同的目标市场进行分类，并通过模块化的产品配置，实现对不同目标市场的覆盖，也就形成了所谓的平台化战略和差异化战略。

对企业产品研发的贡献：模块是产品知识的载体，模块的重用就是设计知识的重用，大量利用已有的经过试验、生产和市场验证的模块，可以降低设计风险，提高产品的可靠性和设计质量。

模块实现产品功能的分配和隔离，使问题的发现和设计的改进变得容易。

模块实现功能的抽象和实现分离，使设计人员容易掌握产品全局，同时设计人员可以屏蔽掉与自身领域无关的细节，从而关注更高层次的设计逻辑。

模块功能的独立性和接口的一致性，使模块研究更加专业化和深入，可以不断通过升级自身性能来提高产品的整体性能和可靠性，而不会影响到产品其他模块。

模块功能的独立性和接口的一致性，使各个模块可以相对独立的设计和发展，可以进行并行设计、开发和并行试验、验证。

模块的不同组合能满足用户的多样性需求，易于产品的配置和变型设计，同时又能保证这种配置变型可以满足企业批量化生产的需求。

对企业工作效率和节省时间的贡献：设计和零部件的重用可以大大缩短设计周期；并行的产品开发和测试可以大大缩短设计周期；利用已有成熟模块可大大缩短采购周期、物流周期和生产制造周期，从而加快产品上市时间；如果划分模块时考虑到企业售后服务的特定需求，同样可以缩短服务周期和耗费资源时间。

对企业成本控制的贡献：模块和知识的重用可以大大降低设计成本；采用成熟的经过验证的模块，可以提高采购批量，降低采购和物流成本；采用成熟的经过生产验证的模块，可以大大减少由于新产品的投产对生产系统调整的频率，使新产品更容易生产制造，可以降低生产制造成本；产品平台中及平台之间存在大量的互换模块，可以降低售后服务成本。

对企业组织的贡献：有利于企业研发团队分工，规范不同团队间的信息接口，进行更为深入的专业化研究和不同模块系统的并行开发；抽象平台和模块的建立，可以实现企业组织结构与产品模块结构之间的交互，使并行工程拥有实施的根基，工艺、财务、采购和售后服务可以在产品研发早期就介入产品研发项目；标准规范的模块接口有利于形成产品的供应商规范；有利于产业分工的细化。

5、模块化设计的定义模块化一般指使用模块的概念对产品或系统进行规划和组织。

产品的模块化设计是在对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组合可以构成不同的产品，以满足市场不同需求的设计方法。

虽然模块化概念由来已久，在许多产品开发与生产活动中这种方法也被自觉或不自觉地应用。

但如何系统、科学地开发模块化产品直接影响设计的有效性和最优性。

而这些理论和方法的研究则落后于模块化的实际应用。

作为模块化设计的基础方法和理论，模块化表达方法与模块识别等一直是研究的热点。

三、模块化设计基本方法1、模块设计的特点（1）理解模块必须抓住模块的四个主要特点，这四个主要特点是模块的精髓，也是划分企业自身产品平台和产品模块的基础。

1、模块具有独立的功能：模块的功能是整个产品功能的组成部分，且这个功能是自我包含，自我实现的。

图中给出了集成式产品结构和模块化产品结构的区别。

在集成化的产品结构中，零部件的功能与产品功能是多对多的关系，这样导致某个零部件的设计更改会影响到产品的多个功能，也就会导致不确定范围的零部件的修改，同样为了实现产品的某项功能改善，也会导致很多零部件的修改。

随着产品复杂程度和产品零部件重用度的提高，管理这样的产品结构和相关信息就会变得十分困难，尤其是在产品为系列化、批量生产模式的企业中，随着不可互换的相似零部件种类的增加，销售、采购、物流、生产和服务等业务领域中的管理困难会成倍增加！在模块化的产品结构中，零部件的功能与产品功能是一对一的关系，这样对于零部件的更改和产品功能的改善不会造成其他零部件和功能的调整，也就是将产品的功能抽象与产品零部件的具体实现分离，模块自身的单独发展不会影响其他模块。

例如，如果电机和导轨对于DSP调速设备来讲是一个模块的话，电机与导轨的连接尺寸等几何连接接口需要标准化和规范化。

同时，电机的输入转速、功率，以及输出的编码器信号等输入、输出接口同样需要规范。

由于模块的功能必须考虑在一系列产品中互换的问题，因此某些模块的功能在某一个产品中有可能是冗余的，但是从全局的角度看这样做是值得的。

比如，计算机主板上PCI插槽一般有4-6个，而大部分计算机上仅仅使用1、2个，这种功能的部分冗余带来的是很强的扩展能力和更大范围的互换能力，显卡、声卡、网卡、电视卡、modem等都可以随时扩展。

1、模块设计的特点（2）标准的几何连接和一致的输入、输出接口：为了实现同类模块之间的互换，严格的尺寸接口和输入输出接口的定义是必须的。

连接接口，可以是机械领域的销、面、键和螺栓等，也可以是电器领域的信号、能量等。

著名的玩具供应商Lego乐高公司通过积木模块的不同组合可以拼成几乎无尽数量的形状，于是在市场上取得了巨大的成功。

Lego乐高公司的积木模块定义的主要就是几何连接接口。

当然，在实际的制造业中随着产品复杂度的增加，模块的几何连接接口要比这复杂得多。

输入、输出接口，是模块功能的抽象，是定义该模块功能的输出标准和能够保证输出特定功能所必须的输入条件标准。

例如多媒体中控，VGA 输入输出、控制串口的控制命令协议、物理接口标准等同样需要规范。

1、模块设计的特点（3）虽然模块的功能是自我包含、自我实现的，但是模块的存在和划分必须以产品平台的整体功能为前提。

比如一个移动通信实验台，由接收器(Ra)、放大器(Aa)和电源(Pa)三个组件构成，当该移动通信产品只有这样一种产品配置的时候，这里不存在任何模块，接收器(Ra)、放大器(Aa)和电源(Pa)是一个整体，不用区分。

但是，当有另外一种型号的移动通信实验箱使用了另外一种电源(Pb)，这个电源(Pb)又与前一个电源(Pa)可以互换时，那么电源在没有任何变化的情况下，就会成为一个模块。

因此，模块的功能和互换性都是依赖于产品平台的功能和配置变化而存在的，失去产品平台的定义和产品平台的配置需求，模块的存在是没有意义的。

图中，GPRS模块已经在十余款产品上成功使用，就是一个很好的模块设计的实例。