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1、产品设计阶段成本估算方法综述姜少飞，卢纯福（浙江工业大学 机电工程学院，浙江 杭州 310032）（College of Mechanical & Electrical Engineering, Zhejiang University of Technology,Hangzhou,Zhejiang Province,310032）摘要：阐明了产品设计阶段成本研究的意义，综述了国内外在产品设计阶段成本估算研究方面的现状，分析了当前研究存在的问题，在此基础上提出了进一步的研究方向。关键词：产品成本研究 成本估算 设计阶段中图分类号：TH166Overview of research on cost
2、 estimation in product design phaseJIANG Shaofei, LU Chunfu(College of Mechanical & Electrical Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310032, China)Abstract: This paper represents current research on cost estimation methods in product design phase, open questions of cost estimation
3、 field are analyzed and further research content is put forward.Key words: research on product cost; cost estimation; design phase1 引言 生产准备与加工原材料与外购件的采购管理和销售010203040506070开发设计对成本的影响所需的工时成本图1 产品设计对成本的影响Fig 1. Product design affects product cost随着全球市场的形成，以最短时间和最低成本生产出高质量的产品已成为制造商竞争的焦点。时间、质量和成本是公认的决定一
4、个产品成败的核心因素。尽管产品设计费用只占产品总成本的5，却决定了产品成本的60701，图1表明了产品设计对成本的决定性影响。另一方面，上游设计失误对产品成本的影响将以不断放大的形式向下游传播，放大的比例甚至能达到收稿日期：2005-8-5；基金项目：国家自然科学基金资助项目（50305034）第一作者简介：姜少飞（1975），男，山西省大同市人，讲师，博士，从事产品设计方法学，机电一体化方面的研究，E-mail：jsf751：102，而且产品在生产制造阶段降低成本的可能性已经大大受限，所以设计阶段才是控制产品成本的最佳时机。尽可能在产品设计的早期阶段给出产品的成本信息无疑对产品设计方案的技术
5、经济性综合优化、降低成本和提高产品市场竞争力有十分重要的意义。2 成本估算方法的研究现状成本估算是产品成本研究的起点，有关成本其他方面的研究都以成本估算为基础，其目的是在产品设计过程中（未制造出以前）通过数学或其他手段预知产品的成本，并将估算结果反馈给设计师以修改设计方案。既然产品的成本很大程度上取决于设计阶段，设计者希望在产品设计过程中尽可能早地知道尽可能多的成本信息或成本反馈。然而所处的设计阶段越早，产品的已知参数就越少，成本估算的困难就越大，估算结果就越不精确，因此成本估算方法一直是成本研究的难点之一。最先详细研究产品成本构成的是德国学者，他们认为对于设计人员来说，只有制造成本中的可变部
6、分才是决定设计决策的关键，从而建立了成本目录结构和分类，研究了建立相对成本目录结构的基本原理，用成本观点实现不同制造工艺和不同材料的设计方案之间的对比评价，发展了成本估算的回归分析法3。G帕尔和W拜茨4率先提出了几何相似系列和几何半相似产品的成本增长规律，并用该增长规律进行几何相似系列产品的成本估算。Klasmeier3提出了成本的通用估算函数：其中-成本值 -不变成本 -可变成本随设计特征以及指数变化时的综合修正系数 -设计特征标志的个数 -第I个设计特征标志 -指数。在成本估算应用方面有代表性的成果有：J.Schmidt和O.Eitrich5 开发的过程集成成本分析工具“PICANT”(P
7、rocess Integrated Cost Analysis Tool)，实现了成本的适时估算，并且可用于设计的早期阶段；Peter Leibl6开发的与设计过程并行的成本估算软件IKF，具有成本计算、比较和预测等功能。据称，采用该软件可节省设计时间4050，降低成本4050。总的来说，德国研究成本估算起步最早，水平也最高，在实践中也取得了不错的效果，但研究多集中于相似估算，不能够解决所有的设计过程成本估算问题。其他国家的学者对成本估算的研究开展得虽没有德国早，但在实践中也取得较大的突破，这方面的研究主要有：u 成本估算算法美国学者最早将ABC(Activity Based Costing)
8、方法应用于成本估算7 ，而且更注重成本估算软件开发和将估算理论用于产品报价；提出了基于神经网络的成本估算模型8；A.R.Mileham等9提出了产品概念设计阶段成本估算的参数法模型，其要点是将概念设计阶段的信息转化为“成本驱动(Cost Driver)”，然后用多变量回归分析的方法建立成本估算公式，此方法在注塑模的成本估算中得到验证；Lowa大学 10在基于特征的设计（Feature-Based Design）中研究了制造成本的计算方法，并给出了基于最短路径的最小成本原则；Behrokh Khoshnevis等11研究了工艺规划中的制造成本估算问题，而且将这种估算伴随产品设计过程进行，充分支持
9、了并行工程；M.S.Folly等 12 给出了压力容器和滚动轴承的成本估算函数，他们认为产品成本主要由产品功能值决定，其他参数对成本的影响较小。u 成本估算系统Cawthorne-Nugent等13，14开发了面向产品订货的基于知识的智能化产品成本估算系统，该系统通过对产品特征和订单相关信息的详细描述，比较以前生产过的相似订单，对历史数据作线性或非线性回归分析，建立产品的成本模型，实现快速成本估算。Terri L.Calton和Ralph R.Peters15开发了用于辅助制造工程师决策的成本估算系统Archimedes，该系统尤其适用于产品的装配环境中。摩托罗拉公司针对产品设计过程中缺少成本
10、分析工具的情况根据生产中的十二个关键制造步骤并利用ABC法开发了制造成本的估算软件16，用以协助设计人员根据有限的设计信息计算产品的制造成本。G.Boothroyd 17详细分析了金属加工产品的制造成本来源及其相互关系，认为其成本应包括材料成本、非切削成本、切削成本、刀具更换成本及生产准备成本，并采用成组技术估算成本。瑞士学者开发了基于知识库的产品零部件制造成本估算软件18，该知识库包含了几十种材料、毛坯和制造特征，能够根据用户的交互输入生成加工工艺、制造成本及其结构。D.Kiritsis 19 开发了PPC-system(Process Planning Cost System)，该系统利用
11、Petri网技术，能够较为全面地估算工艺规程设计过程中的机床、装备、换刀以及加工成本。我国对成本估算的研究起步较晚，但也已取得了可喜的进展。根据历史记录进行制造成本的粗略估算是研究比较集中的领域；产品报价领域有了一些初步的成果4，虽然没有从产品设计的角度剖析成本与设计的内在联系，但却提供了快速简便的估算方法。文献20借助模糊数学原理提出了基于模糊贴近度的机械零件成本预测的方法，该方法简单直观，易于编程实现，缺点是没有和设计本身结合起来。文献21通过参数关联分析对民用飞机的成本做估算，建立了功能参数与成本关系的公式；文献22提出了用于设计过程的成本估算指数形式的通用函数，建立了统计法估算成本的总
12、体结构模型，并定性地进行了敏度分析。文献21提出了用于估算产品成本的多Agent模型，其思想是将每一种成本估算的方法都作为一个Agent，系统根据用户提供的信息经由专家Agent(Expert Agent)决定（或各个Agent之间竞争）用何种方法估算成本。文献2324系统研究了并行工程中的产品成本估算问题，提出了支持并行设计的成本估算模型，分别进行面向加工过程和面向并行设计的成本估算，该模型适用于产品结构设计的各个阶段。总之，产品的成本估算理论是目前成本研究的重点，也是热点，没有估算理论的突破就不可能更深入地研究产品成本，也就不能达到降低成本的目的。3 成本估算方法总结按照估算原理，文献中所
13、述的各种成本估算方法可以分为以下两大类：I、基于统计和参数拟合的估算法这类估算方法的最大特点是无须对产品本身做详细结构分析，而是充分利用已有类似产品的结构和成本信息弥补待估产品设计信息的不足，通过建立它们之间参数的数学关系拟合或由已知产品的统计信息建立起成本估算的数学表达式，从而达到估算目的。此类方法的最大优点是只需部分产品信息即可得出成本估算公式，特别适合解决产品设计早期阶段的成本估算问题，而且估算工作量较小，缺点是由于产品信息尚未完全确定而造成估算精度不高。有文献报道的属于此类的成本估算方法有如下几种2529：u 应用回归分析的估算方法。主要是通过统计评估，借助于回归计算求得与产品特征参数
14、（功率、重量、直径、中心高等）有关的成本或价格函数，这种数学关系称为回归方程式。回归估算法可用于产品设计的各个阶段。u 相似估算。是利用相似性关系决定成本增长规律的一种估算方法。适用于某种参数系列的几何相似或半相似的部件成本估算。估算时可以以基础技术设计草案或工艺元素为基础。u 功能成本估算法FCE(Function Cost Estimating) 。来源于价值工程，此方法针对用户最关心的是产品所能提供的功能，而产品设计也是紧紧围绕用户需求这一点出发，估算产品提供给用户的功能的成本。u 参数法PCE(Parametric cost estimating)。是根据产品的历史记录找出产品的成本驱
15、动参数，然后将当前设计阶段的已知信息转化为成本驱动参数，依此预测产品的成本。参数法是一种基于历史记录和统计方法的成本估算方法，也是产品设计早期阶段应用较广的一种方法。u 神经网络估算法。和参数法一样，也是适用于设计早期阶段的一种成本估算方法，通过大量训练样本，由神经网络自身统计出输入（参数）与输出（成本）的关系，由此实现成本的估算。其优点是无需给出输入参数与输出成本的明确映射关系，缺点是不能总是保证网络收敛。u 学习曲线法(learning curve)。这种方法认为重复性工作的成本都会随完成这些工作的经验的积累而降低，因此可以用学习曲线反映累计产量的变化对单位成本的影响，即找到产量的变化率与
16、单位工时或成本变化率之间的比例关系，并由此预测产品的成本。II、分析估算法分析法的出发点是“跟踪”产品生命周期的“行为”（设计-制造-装配-销售-使用-维护-报废），通过详细分析这一过程中造成成本的“动因”实现产品成本估算。目前制造成本估算研究开展的较为普遍，从这个意义上说，分析估算法是一种基于制造的成本估算方法。与基于统计和参数拟合的估算方法相比，分析估算法的精确度更高，因为它始终面向造成成本的“动因”，但是这种估算方法是建立在产品信息比较完整的基础上的，因此更适合在产品设计的后期阶段或设计完成后的制造成本计算中应用。属于此类的成本估算方法包括：u ABC法(Activity-based C
17、osting)。也称作业成本估算法，此方法把企业视作为最终满足客户需要而设计的“一系列作业”的集合体，形成一个由此及彼、由内到外的作业链(activity chain)，每完成一项作业要消耗一定的资源，而作业的产出又形成一定的价值，转移到下一个作业，按此步骤逐步推移，直至最终把产品提供给客户。ABC法的关键在于识别可增加价值作业(value-added activities)和不增加价值作业(nonvalue-added activities)，将不增加价值的费用的分配由全企业范围改为由若干个“成本库”分别进行分配，增加分配标准由单标准改为多标准分配，即按引起制造费用发生的多种“成本动因”进行
18、分配。ABC法估算精度较高，但必须在产品设计完成后进行。u 多属性模糊法FMAU(fuzzy multi-attribute utility)。来源于MAU(multi-attribute utility)理论，也是通过分析产品的成本动因入手，确定成本动因的上下限和权重，然后代入FMAU模型的数学表达式中估算成本。u 基于特征和加工工艺的估算法。是一种在产品设计阶段估算制造成本的方法，其原理是将设计过程认为是一个添加特征的过程，每增加一个特征就会反映到加工工艺中，这样可以预先选择制造参数、加工机床、夹具、刀具，从而精确地计算出产品的制造成本。表1是关于各种成本估算方法所适用设计阶段、估算精确性
19、和需要信息的多寡的属性列表。4 当前研究存在的问题仔细分析产品成本研究的现状，在半个多世纪的发展过程中，新方法、新理论不断涌现，然而到目前为止成本研究的体系尚未完善，许多理论问题和实际应用问题仍有待解决。主要表现在：（1）成本估算方法的局限性。目前的成本估算方法的适用范围很少被讨论，而且不是所有的成本估算问题都能套用现有成熟的估算方法，有必要进一步研究设计早期阶段的成本估算方法的应用范围，补充和修正现有算法的不足。（2）缺乏对设计过程产品成本估算精度的研究。现有估算方法都没有详细讨论成本估算精度问题，也缺乏对影响估算精度主要因素的深层分析。（3）设计进程中的成本实时估算还存在相当大的困难。设计
20、过程所依赖的CAD模型与成本估算所用的CAPP模型还缺乏有效的集成手段，迫切需要能在设计的过程中动态估算当前设计方案甚至特征成本的工具。5 研究展望 进一步完善成本估算特别是产品设计早期阶段的成本估算理论。随着设计进程的深入，降低成本的机会将逐渐减少，因此，成本估算进行的越早，越可能达到降低成本的目的。目前的成本估算，大多是在产品原理方案确定以后进行的，多集中于产品制造成本的估算与预测，已有的设计早期阶段的成本估算方法只适用于特定条件和环境，缺乏一般性。在概念设计阶段，由于设计方案还处于粗轮廓状态，使得成本估算所需要的信息十分匮乏，这是设计早期阶段成本估算的困难所在，如何在所知信息甚少的情况下
21、较为准确的估算产品成本将是不可避免的研究课题。 研究提高成本估算精确性的方法与策略。以往的研究只重估算的数学模型，却没有仔细考虑模型的精度，造成成本估算结果不可靠，不能为设计师所用。今后的研究应该在检验数学模型精度的基础上，反求原有的估算模型，逐步提高估算精度。 将产品全生命周期的建模理论与设计决策结合起来。可以将产品设计看成是一个不断决策的过程，成本是决策的一个重要约束。因此决策过程需要有成本信息的及时反馈作为决策的参考，这就要求在设计阶段就能够建立产品的总体成本模型以及在它的生命周期各个阶段的分成本模型，目前还缺乏强有力的动态、适时、面向成本的决策支持理论和工具。 在实现成本预测的基础上研
22、究设计过程中降低与控制成本的系统化方法，以实现对设计过程的决策支持作用应是今后产品成本研究的重点。产品成本研究的最终目的就是降低成本，使产品的技术性能与经济性能达到最佳结合，这方面恰恰是目前成本研究中最薄弱的环节。在成本估算取得成功的基础上研究产品在特征级、零件级、部件级以及装配级的成本属性，实现降低产品材料、加工、装配、使用、回收成本和优选产品原理方案、改善产品结构的原则在计算机内部的表示与推理应该引起足够的重视。表1 成本估算方法的属性表Table 1. Attributes of cost estimation methods估算方法所属类别方法名称属性适用设计阶段估算精度需要信息量基于
23、统计和参数拟合的估算法回归估算法设计早期阶段不高 少相似估算功能成本估算学习曲线法神经网络法参数法分析估算法ABC法设计晚期阶段或工艺设计完成后高需要详细的产品设计信息FMAU法基于特征和加工工艺的估算参考文献：1 G.Reinhart，Ch.Schneider，M.Weienberger，et al复杂技术产品的协同开发J工业工程与管理，2000，（2）：813 G.Reinhart，Ch.Schneider，M.Weienberger，et alCooperative development of technological complex productsJ Industrial Eng
24、ineering and Management，2000，（2）：8132 曾庆良，熊光楞，范文慧等并行工程环境的面向成本设计J机械工程学报，2001，37（7）：14Zeng Qingliang，Xiong Guangleng，Fan Wenhui et alStudy on design for cost in concurrent engineeringJChinese journal of mechanical engineering，2001，37（7）：143 王嘉才产品设计中成本估算方法的研究D杭州：浙江大学机械系，1992Wang JiacaiResearch on cost
25、estimating method and software development during design phase of productD Hangzhou：Zhejiang Unirversity，19924 厉正平，潘双夏，冯培恩产品成本估算策略及降低成本的设计方法研究J中国机械工程，1995，6（6）：3134Li Zhengping，Pan Shuangxia，Feng peienStudy on strategy of cost estimating and cost reduction of productJChina Mechanical Engineering，199
26、5，6（6）：31345 J.Schmidt，O.Eitrich与产品开发并行的成本预算J工程设计，1996，3（1）：17J.Schmidt，O.EitrichCost estimation with product designJ工程设计，1996，3（1）：176 Peter Leibl，Mahendra Hundal，Guenther HoehneCost calculation with a feature-based cad system using modules for calculation，comparison and forecastJJournal of Enginee
27、ring Design，1999，10（1）：931027 Hundal，M.SProduct costing ：a comparison of conventional and activity-based costing methodsJJournal of Engineering Design，1997，8（1）：911038 K.K.Seo，J.-H.Park，D.-S.JangApproximate estimation of the product life cycle cost using artificial neural networks in conceptual desi
28、gnJThe International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2002，19（6）：4614719 A.R.Mileham，G.C.Currie，A.W.Miles，et alA parametric approach to cost estimating at the conceptual stage of designJJournal of Engineering Design，1993，4（2）：11712510 Chang Xuefeng，Andrew Kusiak，Chun ChehuangCost evaluat
29、ion in design with form featuresJComputer Aided Design，1996，28（11）：87988511 Behrokh KhoshnevisA cost based system for concurrent part and process designJThe Engineering Economist，1994，40（1）：10112412 M.S.Folley，M.J.French， M.B.WiddenFunction cost of pressure vessels and rolling element bearingsJJourn
30、al of Engineering Design，1992，3（4）：29130513 Cawthorne Nugent，J.Da Luz Vieira，P.A.WatsonAn intelligent knowledge-based system for cost estimating in the make-to-order environmentComputer Aided Engineering Journal，1989（8）：12112814 姜华，熊光楞面向成本的设计方法与技术研究J高技术通讯，1999，9（2）：14Jiang Hua，Xiong Guangleng Study
31、on method and technology of design to costJ High Technology Letters，1999，9（2）：1415 Terri L. Calton，Ralph R. PetersA framework for automating cost estimates in assembly processesJProceedings of the 1999 IEEE International Symposium on Assembly and Task PlanningPorto：Portugal，199910010516 Angela Locas
32、cioManufacturing cost modeling for product designJThe international Journal of Flexible Manufacturing Systems，2000，（12）：20721717 G.Boothroy，P.RadovanovicEstimating the cost of machined components during the conceptual design of a productJAnnals of the CIRP，1989，38（1）：15716018 G.SohleniusConcurrent e
33、ngineeringJAnnals of the CIRP，1992，41（2）：64565519 D.Kiritsis，K.P.Neuendorf，P.Xirouchakis Petri net techniques for process planning cost estimationJAdvances in Engineering Software，1999，（30）：37538720 许志兴，丁运亮，陆金桂基于模糊贴近度的机械零件成本预测方法的研究J机械设计，2000，（5）：79Xu Zhixing，Ding Yunliang，Lu JinguiA study on method
34、of cost prediction of machinery parts based on mathematical fuzzy close-in-degreeJMachine Design，2000，（5）：7921 张兵灰色系统理论在民用飞机生产成本预测中的应用J北京航空航天大学学报，1993，19（3）：127131Zhang BingApplication of gray system theory in production cost prediction of planeJJournal of Beijing University of Aeronautics and Astro
35、nautics，1993，19（3）：12713122 Liu Ping，Hu Yongtong，J.Bode，et alMulti-agent system for cost estimationJComputers & Industrial Engineering，1996，31（3）：73173523 高品与产品设计并行的成本估算方法研究及应用 D杭州：浙江大学，1997Gao PinResearch and application of cost estimating method during product design phaseDHangzhou：Zhejiang Unirve
36、rsity，199724 曾庆良，万丽荣，熊光楞等基于并行工程的产品成本评估系统研究J清华大学学报（自然科学版），2003，43（3）：406409Zeng Qingliang，Wan Lirong，Xiong Guangleng et alProduct cost evaluation system in concurrent engineeringJournal of Tsinghua University(Science and technology)，2003，43（3）：40640925 H.Wang， X.H.Zhou，X.-Y.RuanResearch on injection
37、mould intelligent cost estimation system and key technologiesJThe international journal of advanced manufacturing technology，2003，3：21522226 E M Shehab，H S AbdalaA design to cost system for innovative product developmentCProceedings of IMechE 2002：999101927 Yuan-Shyi Peter Chiu，Singa Wang Chiu Incor
38、porating expedited time and cost of the end product into the product structure diagramJ. International journal of machine tools & manufacture，2005， 45（4）：98799128 Rajkumar Roy，Scott Colmer，Terry GriggsEstimating the cost of a new technology intensive automotive product: A case study approachJInternational Journal of Production Economics，2005，97（1）：21022629 Sergio Cavalieri，Paolo Maccarrone，Roberto PintoParametric vs. neural network models for the estimation of production costs: A case study in the automotive industryJInternational journal of production economics，2004，91（2）：165177
