制造业T-型敏捷新产品开发与过程管理研究_檀润华.pdf
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1、第23卷 第2期2023年2月创新科技Innovation Science and TechnologyVol.23 No.2Feb.2023制造业T-型敏捷新产品开发与过程管理研究檀润华1,3,张俊磊2,3,张路路1,3,邵 朋1,3,王凡凡1,3(1.河北工业大学机械工程学院,天津300401;2.河北工业大学经济管理学院,天津300401;3.国家技术创新方法与实施工具工程技术研究中心,天津300401)摘要:制造业敏捷新产品开发是企业应对激烈竞争的有效策略,但目前缺乏成熟的开发与过程管理模型来指导企业实践。在发明过程解决理论(C-TRIZ)研究与多年在企业开展发明问题解决理论(TRIZ
2、)实践应用的基础上,首先提出了制造业T-型敏捷新产品开发的概念;之后从技术实现的视角构建了T-型敏捷新产品开发系统、创新初始机遇识别与T-型敏捷新产品开发过程模型;又从管理的视角构建了T-型敏捷新产品开发过程管理模型。这两类模型不仅为制造业引入TRIZ提供了新模式,也为制造业敏捷新产品开发提供了一种新选择。关键词:制造业;T-型敏捷新产品开发;过程管理;C-TRIZ;TRIZ中图分类号:F273文献标志码:A文章编号:1671-0037(2023)2-79-14DOI:10.19345/j.cxkj.1671-0037.2023.2.0070引言制造业在国民经济中占有重要地位,受到世界经济强国
3、的高度重视。为保证新产品的开发质量,技术管理领域构建了阶段门模型(State-Gate process)用于新产品开发的过程管理1-2。该类模型以产品开发生命周期为基础,将企业的新产品开发过程分为多个不同且相互之间紧密联系的开发阶段,在每个开发阶段结束时设置评估“门”,用来评估该阶段的输出,并决定下一步的开发方向。该类模型的应用使产品开发各阶段得到了管理和控制,减少了反复迭代,提高了产品开发质量,成为制造业中主要的过程管理模型3。为保证制造业产品设计质量,学者们在设计领域构建了设计理论与方法4,以开发适应不同需求的产品设计过程模型,如Pahl等5构建了一种规定型设计过程模型。阶段门模型与设计过
4、程模型的应用支持了制造业的发展。近年来,经济全球化与逆全球化使得制造业竞争日益加剧,市场环境愈发多变,消费者越来越多地参与到产品开发环节中,新技术的不断涌现加快了技术的更新换代。这些变化使制造业收稿日期:2022-12-11基金项目:国家自然科学基金资助项目“机遇驱动的机械产品突破性创新设计方法研究”(51675159);中央引导地方科技发展专项资助项目“基于TRIZ的突破性技术创新方法应用示范”(18241837G)。作者简介:檀润华(1958),男,博士,教授,研究方向:创新设计;张俊磊(1987),男,博士研究生,研究方向:技术创新与管理;张路路(1994),女,博士研究生,研究方向:技
5、术创新方法与创新设计;邵朋(1994),男,博士研究生,研究方向:创新设计;王凡凡(1993),男,博士研究生,研究方向:创新设计。80第23卷创新科技产品生命周期不断缩短,产品开发过程充满了不确定性,商业化结果变得更加模糊且难以预测6-7。传统的阶段门模型已不能应对这类快速多变的产品开发情境,制造业产品开发模式需要朝着适应化、融合管理与设计过程优势的方向发展。软件业与制造业所面对的环境变化类似,也需要改变传统的瀑布式开发流程。自2001年“敏捷软件开发宣言”诞生以来8,以软件项目管理中“轻但够用”的开发原则,以及以人为本和以沟通为中心的原则,面向需求与环境易变的敏捷软件开发方法已经形成并被广
6、泛应用,且与计划驱动软件开发这一传统方法形成互补的两类软件开发模式9。由于制造业很多产品含有嵌入式软件,一些企业对该类软件的开发也采用敏捷软件开发方法,以更好地应对市场与技术的变化6。敏捷软件开发方法的应用促进了制造业产品中物理部件的敏捷开发,也推动了制造业产品敏捷开发过程的发展。然而制造业的产品与软件产品不同,前者是以物理零部件为主组成的产品,后者是数字产品或虚拟产品,软件领域所构建的各类敏捷开发模式并不适用于制造领域。因此,尽管制造业引入敏捷开发的概念已有多年,但到目前为止仍未建立一类被企业广泛接受的敏捷开发过程模型。由于企业的强烈需求,构建面向制造业敏捷新产品开发与过程管理具体实施模式的
7、相关问题研究已成为制造领域关注的热点之一10-11。发明过程解决理论(C-TRIZ)已完成了理论构建12-13,其核心是定义了发明过程、敏捷发明过程,完成了敏捷发明过程的分类与模型构建。过去十几年,国家技术创新方法与实施工具工程技术研究中心(简称“国家中心”)向全国各地企业推广发明问题解决理论(Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch,TRIZ)14-15,培养了一批创新工程师,同时完成了大量的TRIZ创新项目。该过程奠定了C-TRIZ的实践知识基础。本文以 C-TRIZ 理论为基础,通过扩展 C-TRIZ中敏捷发明过程的概念与模型,为制造业构建一
8、类新敏捷产品开发结构化过程模型。为此,研究首先回顾了软件敏捷开发的历程及其对制造业敏捷开发过程的影响,论述了 C-TRIZ下的敏捷发明过程;然后通过对T-型敏捷新产品开发系统、新产品开发初始机遇识别及新产品开发过程等关键问题的研究,构建了制造业T-型敏捷新产品开发及过程管理模型。本研究不仅为制造业新产品敏捷开发理论与实践的完善探索了一类新模式,也为C-TRIZ/TRIZ在更多企业的实践应用奠定了基础。1文献综述1.1软件业中的敏捷开发2001年2月,17位软件开发专家聚集在美国犹他州的雪鸟城,共同概括出了提升软件开发团队工作效率、响应变化能力的一些价值观和原则,并签署了“敏捷软件开发宣言”8。
9、该宣言提出了软件开发的12个原则。例如,原则1为最高优先级,即通过尽早和经常交付有价值的软件来使客户满意;原则2是不断地交付软件,以每两周或每两个月为周期,且推荐使用较短的周期。敏捷软件开发代表了21世纪互联网时代软件开发方法的一种先进理念和价值观。相比传统开发,敏捷开发更强调快速灵活反应、迎接和适应变化,更紧密的客户与开发商协作和以人为本的企业可持续发展策略等16。基于敏捷的思想与原则,软件开发领域诞生了Scrum、极限编程(XP)、水晶(Crystal)等敏捷开发方法17。其中,Scrum是最有影响力的一种方法。Scrum是橄榄球运动的一个专业术语,表示“争球”的动作。在橄榄球比赛的每次冲
10、刺前,都会有一个计划好的过程,但冲刺开始后则由队员在原计划的基础上随机应变。在软件开发中,Scrum是一种敏捷化开发过程,包括3个部分:产品目标(Product Backlog)、优先目标(Sprint Backlog)、可交付的产品增量(Increment)或燃尽图(Burn Down Chart),基 本 过 程 如 图 1 所 示18。Scrum的敏捷化思想首先将待开发的产品目标进行分解,确定优先开发的目标;然后将优先目标再次分解成多个子任务,又称冲刺任务Sprint,把子任务的完成时间限制在24周,并在每一天结束时通过会议讨论任务的完成情况,将更新的软件提交给用户,接受用户的信息反馈并
11、及时更新任务清单,拟定下一阶段的开发任务;如此循环直至完成最终的软件开发任务19。2023年第2期81Scrum的关键在于保持与用户的紧密联系,更新用户需求,不断进行开发迭代。敏捷开发思想是一种战略观。其核心是企业可以最大限度地调动资源,即时响应市场需求变化,是兼具领先性创新速度与保持产品差异化品质的一种创新策略。敏捷开发思想不仅已被用于软件开发,也已被用于其他类型的项目开发与管理20-22。例如,随着商业航天的兴起,传统航天项目的瀑布评审式管理方法不能完全满足快速多变的市场需求,敏捷项目开发的运载火箭管理模式已成为一种新选择22;制造业新产品开发也已引入敏捷开发思想,并被一些企业应用23。1
12、.2制造业中的敏捷开发过程管理产品开发过程是指企业用来构思、设计和商业化一种产品的多个步骤或活动的序列。制造业广泛应用阶段门模型管理新产品开发过程。其中,Cooper在2002年提出的6阶段门模型是一种基础且典型的模型24。该模型以产品开发生命周期为基础,将企业的新产品开发分为6个阶段,包括发现机遇、确定范围、进行商业论证、产品开发、测试与验证以及商业化,又被称作结构化创新过程25-26。自阶段门模型被提出以来,制造业产品开发所面临的环境已经发生了巨大变化,这些变化对产品开发结果和商业化的影响日益增加,并迫使制造业企业意识到灵活、快速、敏捷的产品开发过程是必要的27。而线性化的阶段门模型在定义
13、产品开发过程管理时,并没有考虑到今天这种变化给企业创新活动带来的重要影响。Vetter28指出,制造业企业正面临产品开发模式的重要转型,实现从创意到商业化(Idea-to-Market)的敏捷化发展,以提高企业创新效率、节约成本,并实现快速的商业化。因此,企业必须从单纯的线性化、序列化的阶段门开发过程转变到考虑创意开发与环境变化的双视角维度,保证从创意到商业化的成功开发均采取敏捷方法23。20132015年,一些制造业企业,尤其是在产品开发中应用嵌入式软件的制造业企业,尝试将软件业的敏捷开发操作添加到硬件开发中29。Sommer等23提出在原有阶段门模型基础上添加敏捷化的操作,构建敏捷阶段门(
14、Agile-Stage-Gate)混合新产品开发过程,提供一类比原有阶段门模型更灵活的问题解决模型,提高制造业新产品开发的灵活性。混合模型的构建通常是直接在现有的阶段门模型的部分或所有阶段中嵌入敏捷操作,如图2所示29。其基本思想是在产品开发的战略层面采用阶段门模型,而在执行层面采取敏捷方法23。Sommer通过对 7家技术密集型公司的案例研究发现,混合型产品开发模式能够根据不断变化的客户需求做出快速且适应性的调整,更好地集成客户需求,通过团队的有效沟通,提高企业产品开发能力,这优于原有的阶段门产品开发过程23。Cooper研究了6家世界著名制造业企业(张伯伦、丹佛斯、约翰迪尔、霍尼韦尔、乐高
15、、利乐)采用敏捷阶段门混合模型的成效,结果表明混合产品开发模型在提升产品开发效率和图1软件业中的敏捷开发过程模型优先目标子任务产品目标24h15分钟日常会议可交付增量或者剩余工作量24周檀润华,等:制造业T-型敏捷新产品开发与过程管理研究82第23卷创新科技缩短产品上市时间方面效果显著,对产品开发有积极的影响6。制造业对敏捷阶段门混合模型的初步探索性应用显示出许多优点,然而在实施过程中也面临许多挑战29。其中,最为关键的挑战为以下4类。制造业物理产品不能被无限制拆分。软件几乎可以被无限分解成多个小的子项目编写几行代码、生成若干界面,每个界面都可以在一个Sprint中完成。而制造业物理产品不能被
16、无限制地拆分为许多子项目,且拆分后的子项目很难像软件开发一样能在2周内完成一个冲刺。制造业物理产品完成开发后才能展示。在敏捷软件开发过程中,每个Sprint完成后就可以向利益相关者(管理层和客户)展示。而物理产品的演示通常需要将所有子系统集成后,才能最终呈现出一个可供展示的产品。项目开发需要等待,如等待实验结果、等待零部件供应商供货、等待客户试用结果等。改变物理产品某一子系统比改变软件的代码要困难得多。这种改变对开发团队而言是一种挑战,特别是当项目接近完成时再改变将会更加困难。物理产品通常不能在线展示或试用,而软件可以。因此,Cooper等指出,不能简单直接地将来自软件开发领域的Scrum结构
17、移植到制造业物理产品或实体产品的开发中,需要借助Scrum中的敏捷思想重新定义并构建适合制造业物理产品开发过程的敏捷产品开发模型,以便快速响应制造业敏捷产品开发的需求30-32。因此,制造业敏捷产品开发过程研究已成为一个具有前瞻性与挑战性的课题。1.3C-TRIZ下的敏捷发明过程过去几年,国家中心根据我国政府推动的以TRIZ 为代表的创新方法与企业的需求现状,构建了批量“创新工程师发明”模式12,33,如图3所示,并应用该模式完成了面向企业的 TRIZ 实践应用。该模式与我国政府创新方法工作的结果导向方式和惠及众多企业的要求相吻合,即在培养创新工程师的同时产出新技术、新工艺、新产品34。批量“
18、创新工程师发明”模式由7阶段学习应用过程及与之相对应的管理过程组成。这7个阶段分别为:遴选企业、遴选工程师、基础课程学习、TRIZ项目选题、提高课程学习、TRIZ项目开发、答辩等。该模式成功的要点在于第 4与第 6阶段的设置。在第4阶段,参训工程师发现研发或生产中的发明问题与产生该问题的关键阶段,完成个人TRIZ项目立项;在第6阶段,工程师完成TRIZ项目的开发,即解决发明问题并得到领域问题的解,将该解反馈到关键阶段并应用领域的方法进行完善,最后产生领域解或领域发明。该过程的管理由6道门组成,其中,门1、3、5、6为评估门,门2、4为考试门。评估工作由培训师和所在团队技术负责人共同参与,考试门
19、由培训师负责。第6阶段的成果要经过阶段7的答辩与门6图2敏捷阶段门创新过程设想冲刺14周24h概念冲刺14周24h24h开发冲刺14周发现&构想门概念&商业论证门开发&推广发布后评估2023年第2期83的评估,评估通过的成果形成领域发明或新技术,其是TRIZ项目的输出。如果企业投入资源,将领域发明作为输入,继续关键阶段的后续开发过程,最终将产生新工艺或新产品,实现企业创新的目标。企业逐渐发现TRIZ项目输出的领域发明是企业的创新机遇,有必要尽快将TRIZ引入并固化到企业新产品开发过程之中。2010年8月至2011年3月,广东省科技厅组织开展了面向区域内企业的TRIZ实践应用。来自比亚迪、广汽、
20、广州无线电集团、大洋电机等制造业企业的52名工程师通过了答辩,即完成了课程学习、TRIZ项目开发与项目答辩。参加答辩的工程师应用所学TRIZ,发现并选择了企业中的52个难题,通过TRIZ解决了这些难题,形成了多项发明。经过企业评估及后续开发,大部分发明已经形成新技术、新工艺与新产品,并为企业带来了经济效益。这些TRIZ项目选题的阶段分布为:模糊前端阶段4个、概念设计阶段10个、技术设计阶段 15 个、详细设计阶段 5 个、制造阶段 18个12。后续实践应用案例的TRIZ项目分布均与之相似。上述案例说明,企业创新活动起点可以设在已有产品开发过程中的任何一个阶段。即从任何一个关键阶段开始的TRIZ
21、项目,虽然只解决了产品处在特定开发阶段的若干个发明问题,但其结果能够引致后续的开发过程,从而形成新技术、新工艺或新产品。TRIZ项目快速解决领域发明问题并反馈到关键阶段的思想与软件开发中的敏捷开发思想基本相同,可以通过归纳总结形成制造业敏捷开发的一种新思路。C-TRIZ已构建了一个通用TRIZ项目开发过程模型,即敏捷发明过程模型12-13,具体如图4所示。敏捷发明过程的输入是由企业内部与外部变化引发的初始创新机遇或初始机遇,输出的是经过评估之后的领域解或领域发明,是该过程产生的新技术。该过程可分为初始机遇识别或机遇识别、领域问题发现与解决、领域问题的解的转换等3个子阶段。初始机遇识别是确认变化
22、产生的新需求与所关联的传统新产品开发关键阶段。领域问题发现与解决是发现发明问题,或设置目标并发现其中的发明问题,并应用TRIZ解决发明问题,形成领域问题的解。第3个子阶段是将领域问题的解反馈到关键阶段,应用领域方法进行整合与完善并经评估得到领域发明。领域解或领域发明是TRIZ项目或敏捷发明过程所产生的新技术,经过传统新产品开发过程中的后续阶段继续开发,使之转变为新工艺或新产品,并经过市场运作转化成企业效益,实现技术或产品创新。C-TRIZ将敏捷发明过程分为3大类与11小类,其结构如图5所示13。3大类包括核心发明过程、基本发明过程、辅助发明过程。其中,核心发明过程包括问题导向发明过程、目标导向
23、发明过程、过程再造发明过程等3类;基本发明过程包括类比发明过程、冲突解决发明过程、效应综合发明过程、物质场变换发明过程、技术预测发明过程等5类;辅助发明过程包括裁剪再造发明过程、集成驱动发明过程、专利规避发明过程等3类。开展TRIZ项目的工程师通过初始机遇识别完成 TRIZ 项目立项,之后在第 6 阶段应用所学TRIZ知识解决难题,完成TRIZ项目所规定的内容,通过专利申请等形式形成领域发明,并将其作为敏捷发明过程的输出。实践证明,确定并完成TRIZ项目对于发明问题的解决起着重要作用,但如何将以TRIZ项目或敏捷发明过程为标志的创新活动固化于企业已有的传统新产品开发过程之中,形成制造业敏捷新产
24、品开发过程,加快新产品开发的速度并保证质量,这是TRIZ在企业图3批量“创新工程师发明”模式门-1Eval-1门-2Exm-1门-3Eval-2门-4Exm-2门-5Eval-3门-6Eval-4遴选企业遴选工程师基础课程学习TRIZ项目选题提高课程学习TRIZ项目开发答辩檀润华,等:制造业T-型敏捷新产品开发与过程管理研究84第23卷创新科技技术创新过程中亟待解决的问题。2制造业T-型敏捷新产品开发过程构建2.1T-型敏捷新产品开发系统构建制造业传统新产品开发过程包括模糊前端、产品开发、商业化等3个阶段。其中,模糊前端的输出以设计需求规格说明的文件形式表示,该文件是后续开发过程的驱动计划;产
25、品开发由设计阶段(包括概念设计、技术设计、详细设计)与制造阶段构成35。因此,传统新产品开发过程是计划驱动的过程,适合于从无到有的项目开发。而TRIZ项目是一个敏捷发明过程,是针对已有产品的改进,如有用功能加强、有害功能消除、原理替图5发明过程分类及相互关系13核心发明过程问题导向发明过程目标导向发明过程过程再造发明过程基本发明过程辅助发明过程类比发明过程冲突解决发明过程效应综合发明过程物质场变换发明过程技术预测发明过程裁剪再造发明过程集成驱动发明过程专利规避发明过程图4C-TRIZ下的敏捷发明过程模型企业内部变化传统新产品开发过程变化企业外部变化初始机遇后续的开发过程创新需求关键阶段领域解领
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