从最小可行产品经尺寸层级到模块化产品族——空气净化单元案例研究

《Proceedings of the Design Society》：From minimum viable product via size levels to modular product family – case study on air filtration units

　　

本研究面向中小企业(SME)，提出了一套用于开发新型模块化、可变尺寸产品族的结构化方法，并以空气净化单元为对象开展案例验证。该方法以最小可行产品(MVP)为起点，提供了尺寸层级定义框架，可在兼顾产品特定设计权衡的前提下，系统性生成多种替代性模块化概念。评估环节将定性标准评价与定量成本预测相结合，实现了概念方案的透明化对比。

研究背景方面，开发新产品族能够帮助企业进入新细分市场，并通过技术创新提升竞争力。为在产品族内部降低内部多样性、同时维持满足市场需求的外部多样性，模块化产品结构(Modular Product Structure)的系统设计被视为有效路径，而产品系列化设计则有助于减少零件种类。然而，现有方法论通常将模块化与尺寸分级独立处理，缺乏两者结合时的集成指导。尤其在开发早期，架构决策的自由度较高，直接决定长期经济性与对客户需求变化的适应能力，此时模块化结构与尺寸缩放决策高度关联且相互影响，可能形成相互冲突的设计要求，即设计权衡(Design Trade-offs)。中小企业受限于较高的初期模块化成本与收益不确定性，在实际落地中面临更多挑战。空气净化单元因气流路径上的组件呈顺序排布，单一模块的尺寸变化会显著影响其他部件，同时对压降最小化、结构稳定性及密封性能有严格要求，其特性十分适合作为该研究的载体。该研究遵循设计科学研究(Design Science Research)范式，依托德国中小企业ULT AG的大型工业空气净化单元开发项目，构建了从MVP到尺寸层级再到模块化产品族的完整开发流程。

关键技术方法方面，研究人员采用设计科学研究范式，结合行动研究原则深度参与企业开发过程。首先基于质量屋(House of Quality, HoQ)将客户需求转化为设计规范，以最小可行产品(MVP)为基础架构。尺寸层级定义阶段，依据DIN 323优先数系原理，利用几何级数公式计算步长比φ，并结合过滤器表面负荷(Filter Surface Loading)的物理约束及市场专家经验确定最终尺寸等级。模块化设计阶段，引入汉堡工业大学集成PKT(PROduktentwicklung, Konstruktion, Technologie)方法中的多样性分配模型(Variety Allocation Model, VAM)与模块接口图(Module Interface Graph, MIG)，组织跨学科团队通过研讨会分别探索水平分区与垂直分区策略，生成差异化概念。评估阶段融合定性标准加权评价与基于时间驱动作业成本法(Time-Driven Activity-Based Costing, TDABC)的物料及过程成本预测，开展综合决策。

研究结果方面，在“初始产品结构开发”环节，研究人员在MVP设计阶段即初步定义产品架构，虽首要目标是实现单体上市产品，但已预留可扩展至不同尺寸层级的接口，并在开发过程中基于新认知进行迭代优化。在“产品尺寸定义”环节，以体积流量为核心参数，结合销售与产品管理专家经验设定四个尺寸层级。利用公式φ = ^(z-1)√B（其中B为最大尺寸与最小尺寸之比，z为尺寸数量）计算得出理论步长比φ = 1.88，对应理论流量值为1500 m³/h、2800 m³/h、5300 m³/h及10000 m³/h。最终尺寸需结合过滤器表面负荷阈值及风机产能等物理约束进行调整，且过滤器模块的横向或纵向缩放会引发占地面积与人体工学可及性之间的权衡。在“替代产品族概念开发”环节，研究人员通过矩阵分析梳理随尺寸变化的组件（如外壳、过滤器模块、风机），随后组织跨学科团队分组开发水平分区与垂直分区概念，共产生五种备选方案，并对MIG标注体系进行了细化，区分了全尺寸通用标准件（白色）、尺寸内通用标准件（蓝色）、变体件（灰色）及可选件（虚线）。在“替代概念评估”环节，定性评估依据HoQ权重及研讨会识别的安装高度、灵活定位等标准，通过两两比较法加权并排除不满足强制性门槛要求的概念；定量评估由跨部门专家基于五年周期估算过程成本，结合供应商报价与规模效应预测物料成本，结果显示所有方案均提升了通用件比例。在“产品族概念选择”环节，虽然定性评估显示A.2方案最优，但成本预测明确支持C方案；由于严格的空气密封与耐压稳定性要求使得焊接整体结构优于过多拆分的小模块，C方案在总成本上具有显著优势，因此被选定为最终基础架构，并据此优化了运输便利性与装配设计。在“模块化产品结构定义”环节，当前阶段聚焦于尺寸缩放相关的组件模块化，下一阶段将进一步纳入防爆、密闭系统等客户特定功能需求的变体管理。

讨论与结论方面，研究人员指出，简化的MIG可视化有效促进了跨学科团队的共识建立，尽管定性评估与定量评估结果存在差异，但结构化流程为决策提供了透明依据。方法学反思表明，准则的两两加权较为耗时，未来可探索替代加权方法以提升效率；而在概念开发前对所有尺寸相关组件的维度与规格进行系统性预研，能够显著提升设计流程流畅度与成本估算准确性。该结构化方法在中等复杂度产品上得到了成功验证，对于更高复杂度产品，可通过优先聚焦关键组件来控制工作量。结论认为，该研究成功展示了在中小企业背景下，将尺寸缩放考量与模块化结构设计从早期开发阶段即进行集成的价值，为管理模块化产品族开发中的固有权衡提供了可行基础。论文发表于《Proceedings of the Design Society》。