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模块化LED光引擎与LED照明产品系列

2011-11-08 10:37:28 作者:SZ_LED_IA 来源: 浏览次数:0

 

模块化LED光引擎与LED照明产品系列
胡继忠  林洺锋
摘要
现今模块化产品比比皆是,尤其在汽车、航天、通信、电子和信息产业已被广泛运用。不单有严谨之定义,且已由欧美企业与学术界发展成方法论。相关产品及产业也已具备完整的标准体系,并以此严格要求代工厂家,将产品可靠度与质量提升极致。
当下正值LED照明产品持续扩大应用范围并逐步迈向产品的成熟期,需预先考虑更多的层面和承先启后的诸多环节,尤其是光引擎及模块化LED照明产品是否能具备:互换性、兼容性、通用性与可持续性,影响企业与产业发展至关重要。
IT产品及产业发展经验得知,单一产品已无法满足不同消费者多样化多变性的需求。而在LED照明领域,相关产品正逐步迈向成熟,未来的需求势必比现在更多、更复杂。而产品系列化、多样化是模块化产品可以实现的重要特性。另一方面,以模块化品平台为基础,发展可通用的零组件、次系统与制程,提供产品变异与衍生不同特性的产品,以满足不同市场需求。因此,产品系列(产品家族)的多样化设计,已成为企业产品研发与生产制造所需考虑的另一重点。
鉴于LED照明产品、技术与企业发展需高度有效整合各专业领域资源与成功经验,故有必要由模块化基本定义到产品设计成功案例,从产品设计理念与模块化特性到效益验证,从企业到产业价值链(value chain)学习并借鉴其它产业相关经验,然后依LED特性及照明产品需要加以发扬光大。
关键词:光引擎、模块化设计、产品系列、产品平台、互换性、兼容性
Key words: Light engine, Modular design, Product family, Product platform, Interchangeability, Commonality
 
一、引言
传统照明为例,光源与灯具早已实现标准化,光源和电器规格均已形成标准产品系列(product series),且各家产品多可互换如–1,为使用者日常更换和维护提供了便利。反观LED照明灯具,则产品规格纷乱、欠缺完整系列、供货厂商间的产品不能互换,性能也各不兼容(compatible),导致应用与后续维修工作受限
前文[1]指出当LED光引擎(光模块)灯具产品以互换性、兼容性、通用性与可持续性为其基本特性时,模块化LED照明灯具将能一扫整体式照明灯具互换性差、维护困难、未来难以升级的负面印象,也能使生产厂商建立零件供应标准化体系,备料库存比过去更为稳定并具弹性,可以有效降低成本及风险,在市场驱动的主导下,模块化设计可以成为LED产品发展主要潮流。
广为市场接受的才是好产品,为企业带来巨大效益的才是好产品!有效的模块化设计与模块化产品应具备的特性、优势与效益如下:
1.简单化设计验证及设计变更容易,产品制造、组装与维修简易
2.标准化零件标准化,模块化设计具备互换性(interchangeability)、通用性(commonality)与再利用性(reusability),通用件(common parts)可供大量生产,有效降低成本 
3.产品多样化(variability)及可扩充性(scalable & extendable)再设计与性能提升(improvement & upgrading)容易,能有效持续改进、可扩展性强,可发展为品平台(product platform),形成完整的产品系列组合
4.设计与创新:以设计满足客户需求并为客户创造价值(value creation)及实现大量客制化(mass customization)可供不断创新设计。
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–1 传统光源和电器规格均已形成标准产品系列
                资料来源:OptoElectronix, Inc.
鉴于LED照明产品、技术与企业发展需高度有效整合各专业领域资源与成功经验故有必要由模块化基本定义到产品设计成功案例,从产品设计理念与模块化特性到效益验证,从企业到产业价值链(value chain)学习并借鉴其它产业相关经验,然后依LED特性及照明产品需要加以发扬光大。
本文内容主要说明模块化设计、产品系列与品平台基本定义与意涵,希望借鉴IT产业的成功经验与范例,强调在LED照明领域模块化设计、产品系列与产品平效益的重要性。
二、模块化设计与产品平台相关研究
模块的构想源自德国,主要是将积木构成法(Building block system)的概念运用于产品设计中的一种手法。1930年德国的G. Schlesinger教授将BBS应用在工具机系统设计,他将工具机的主要功能标准化成为不同模块,再针对新机台的工作目的,依模块在构造或尺寸上之关连性予以组合,应可视为模块化设计应用的鼻祖。MicrosoftIntel1990年以策略联盟建构Wintel的计算机架构,信息产业因此重新整合,改变了原本IBM一家独大的局面。产业供应链分工开始盛行,个人计算机成为低价普及产品。在模块化应用于信息产业的冲击下,现在汽车、航天、电子和通讯信息产业均已广泛运用,模块化产品举目比比皆是。不单有严谨之定义,且已由欧美企业与学术界发展成方法论。相关产品及产业也已具备完整的标准体系,并据此严格要求代工厂家,将产品可靠度与质量提升极致。
标准化、互换性、可扩充性和可持续发展性是模块化设计的基本设计精神、目标和产品发展策略[1]。一模块化设计,除需具有明确的产品定义(product definition)与产品架构(product architecture)外,尚需具备可发展为品平台,并依此平台持续改进,扩充产品组合(product portfolio)或成为产品家族(product family)之效益。
模块化设计与模块化产品定义于[2]~[5]中说明,其设计策略(design strategy)是在产品设计开发过程中,将功能运作相关的组件依据产品架构集成为单一模块,经由分析组成模块间的相关性与工作程序,设计组合所需接口(接口)并决定最佳的模块配置方式。因此,模块化产品具备下列特性:
1. 模块是标准的、独立运作的、并且是可置换的单元。目标是要减少产品结构的复杂度,使产品开发过程中的不确定性与困难度降至最低,并使制造或组装资源更有效率的被运用 
2. 可应用在不同的产品,共享相同的模块,可以缩短产品开发时程(cycle time),降低研发与产品开发成本
3. 针对不同客户,为达成客制化设计(customized design)目的,使用不同模块组成产品(系统),可使产品具备变异性(variation)与差异化(differentiation)
产品家族是指一组(系列)相关联的产品,彼此间有着共同的零件、次系统或采用共同的模块(common module)与接口或制造技术,以满足不同市场应用的产品,或称为产品系列。Meyer and Utterback[6]即定义产品家族为:许多产品共享一公共平台,借着部份不同性能的零件增减,使得产品在基本规格之外,还提供一些不同的功能,且仍保有个别的产品特色,以满足不同的客户需求如图–2。由此可知,产品家族考虑不同市场间的需求差异,来进行个别设计,借着分享共同的零件、次系统或制程等,来降低整体生产成本,缩短生产制造周期,并着各产品不同的性能满足多样化市场的需求,有效的提升研发、生产制造、营销与服务等能力。为了使产品设计多样化,必须在产品设计的过程中进行一系列模块化的设计,因此会产生一系列相关的产品,这些产品便称之为产品家族,所以也有将多样化设计称为产品家族设计
品平台(product platform)是模块化产品中最重要的一部份,产品家族以品平台为基础,发展可共享的零件、次系统与制程,实现产品变异并衍生出不同特性与应用的产品。藉由模块化技术,将实体或功能上具备共同特性的零件,分割成各自可独立运作的模块,以不同搭配满足变异与产品衍生的需求。一般来说,有效的品平台是凭借良好的系统架构与接口,使不同数量不同规格的模块有效配褡,发展系列产品而不需对平台做大幅的结构性改变。
Muffatto[7]认为企业除了重视产品架构的设计外,更应以品平台为竞争策略,建立一平台式的管理组织来加增管理运作弹性与绩效。Robertson and Ulrich[8]认为品平台为零件、制程、设备、人员组织与知识等共享资源的组成。依据市场研究来拟定产品计划,进而归纳各产品间的差异属性,拟定差异化方案后,再以制造成本考虑来订定共通性计划。管理团队必须在此二种计划中做取舍来发展新的品平台,并明确说明成功的品平台能有那些方面的利益,例如:满足不同市场需求、减少产品开发成本与时间、减少制造成本、降低系统的复杂性、降低风险、提升服务水平与降低服务成本等。
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–2 市场需求与产品家族的形成
由此可知,发展良好的品平台,运用不同模块搭配满足产品多样化设计要求如图–3,是现今产品与产业竞争不可或缺的技术。然而开发过多的模块种类,将导致模具成本以及生产线复杂度的增加,为了避免这些因素影响企业的制造生产,工程师需要对品平台做详尽的设计规划,一方面藉此提供适当的产品多样化,另一方面也减少模块的数量及生产线的复杂度。
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–3 品平台发展与市场区隔
三、产品家族与产品平台
模块化设计在许多产品市场已形成主,其中首推个人计算机(PC)的普及,几乎所有的产品都奠基于相关组件的标准(standardization)与模块(modularization)。同时,模块化产品设计也成功运用在:打印机、笔记本计算机、相机、手机、电动手工具、工具机、汽、飞等产业,并成功的发展出产品家族如图–4至图–7。不单产品功能持续提升而且市场快速扩大,带给广大消费者功能需求的满足和生活中的种种便利。
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–4 HP工作站产品家族                         –5 Fujitsu NB PC产品家族
 资料来源:Doru Ristea, Hp                              资料来源:Michael Segal, Fujitsu
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–6 手机(智能型)产品家族               – 7 咖啡机产品家族
  资料来源:戴基峰,资策会                               资料来源:Olivier de Weck & Timothy W. Simpson, MIT
–8Volve卡车为例说明:汽车的底盘即是其车体组装的品平台,同款的车子均利用相同的平台,根据车款设计的要求装配于其上,再组装上其它的模块与次系统,形成针对不同市场货运卡车。
 
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–8 Volve针对不同市场之卡车产品
资料来源:Timo Lehtonen, Tampere University of Technology
集中共享品平台,被上述等产业广泛运用,由这些成功产品及产业发展证明:模块化设计产品的互换性、兼容性、通用性、可持续性发展,对市场、企业及产业形成巨大效益!足见模块化、标准化、品平台的技术运用,但是达成快速开发、提升质量、客制化设计以及降低成本关键要因,也已成为产业进全球化同步工程(concurrent engineering)与协同设计(collaborative design)时重要的实践手段。
模块化设计与模块化产品是否能成功有效发展满足市场需求的产品系列,不但能从市场反应与接受度评价,企业自身由研发、业务与市场销售及生产制造部门可依下列指标自我评价:
• 花费(Cost)
– 直接与间接成本、材料、时间、劳动力及资本
• 复杂性(Complexity)
– 次系统总数
– 另件、主件及工序
• 通用性(Commonality)
– 共享件、标准件、通用材料、接口及工序
• 可靠度与质量(Reliability & Quality)
– 性能、实用(robustness)与安全性
– 产品使用寿命
• 设计弹性与可变性(Flexibility & Variability)
– 设计变更与性能提升
– 功能极限
• 模块化与简易性(Modularity & Simplicity)
– 优异的界面架构
– 能否以最少的另件与接口变更设计形成差异化产品
四、模块化LED灯具家族与产品平台实例
LED光引擎(light engine)是指包含LED封装(组件)LED数组(模块)LED驱动器、以及其它亮度、热学、机械和电气组件的整体组合。该装置要通过一个与LED灯具匹配的常规连接器直接连接到分支电路,该LED灯具设计成不使用标准灯座。
 
   
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(a) 2008年产品             (b) 2009年产品           (c) 2010年产品
–9  LED光引擎产品[5]
但从国内产品推出情况观察,尤其在道路与隧道照明方面,除行之有年的整体式灯具,市场上自2008年起已有许多以LED光引擎组合成的灯具推出,如图–9[1],但迄未有LED光引擎专业供货商。总体而言,LED光引擎组合成的路灯或隧道灯灯具,仍如同原先大多数整体式灯具,跳脱不了“旧瓶装新酒”的做法,未能有效针对LED新光源特性扬长避短,也未能有效发挥LED光引擎及模块化设计(modular design)的特性与优点[1],以品平台发展成产品家族或多样化设计以因应不同之照明运用。
经多方比较,本文以公司编号LE-SL-T1产品系列为有效参考范例:图–10说明以光引擎为基本构成模块(building block),并以此品平台发展出系列照明产品如:路灯、隧道灯、天井灯及投光灯,如图–11,并可不断创新设计,满足不同客户之需求。其产品部分数据及安装情况详如附录。
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–10 品平台发展出系列照明产品
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–11  LED光引擎组合成的路灯照明应用灯具产品家族[1]
现国内外厂家纷纷推出“各式各样”的光引擎或模块化设计之组合灯具产品。但是否能如通讯或其它消费性电子产品,具备“模块化设计”产品的优点?或者指鹿为马产品混淆,导致业主再次质疑或市场混乱持续?待市场予以验证。
当下LED路灯产品及市场情况,正考验着国内灯具生产厂家!企业应自行检讨评估,当企业内部标准件不足、供应体系不健全,而国内众多厂商产品及零主件各异,会造成部分标准件(或通用件)的供货商量能不足或供应不稳定,质优而稳定的供货商体系势必难以形成,可能发生的影响如下:
照明产品性能、质量稳定性(一致性)
供货商质量、供货稳定性(一致性)与产能波动
产品上市时间、产量与价格不稳
产能不足,影响市场规模难以成为大厂
果真如此,厂家获利及市场扩展直接受到冲击,相互受到波及的当然会是业主(终端用户)及维护单位。
五、结论
可以预见当模块化LED照明灯具产品以“互换性、容性、通用性与可持续性发展”为其基本特性时,将能一扫整体式照明灯具互换性差、维护困难、未来难以升级的负面印象。另外,可发展成为品平台,实现产品多样化及可扩充性,并且再设计与性能提升容易,能有效持续发展,形成完整的LED照明产品系列组合以因应多元化的市场需求。
LED照明企业在面对专业技术强、分工细、系统整合迫切,全球化、区域环境不同与大量客制化的要求等挑战下,企业独开发针对国内不同区域性产品需求的策,在全球化竞争剧烈的今天,很难维持竞争优势并长期发展。面向国内外庞大的LED照明应用市场;面对国际照明知名大厂既有优势并一直积极布局,国内厂家有必要携手合作、共同持续提升产品设计与开发能力。藉模块化产品设计与品平台,快速形成成功的产品策略与企业扩大销售的市场策略,达成下列目标,真正发挥跨专业、跨领域、跨企业间合作的综合效益(synergy)
产品互换性与兼容性
– 避免(防止)因为数众多(厂商各自为政)、样式各异、无法匹配(互换、兼容)的光引擎导致市场分割、秩序混乱
– 终端用户的使用、维护与长期最终利益的保障与关怀
改善产品质量与扩充产品系列
– 标准件与共同零/主件
– 形成专业产能稳定的供应链
可持续性发展,推广LED在通用照明领域的大规模运用
– 使用户(消费者)可以安心选择和购买市场上具有可互换性的LED 产品,并能有效分享 LED 技术持续发展所带来的产品功能不断升级之效益
将市场饼做大、做强,以Time-to-market, Time-to-volume的产品竞争优势,放大市场量能,进而降低制造成本,对国外市场掌握主控优势,开创庞大商机。
参考文献:
1. 胡继忠,俞安琪 ,周巧凤,施晓红,“互换性、兼容性、通用性与可持续性”-LED照明产品与企业发展应关注的重要环节, 2010
2. Obtaining Distinctive Product Variants, Håkon Skramstad, Department of Product Design Engineering, Norwegian University of Science and Technology
3. Exemplification of the modular concept generation process, Øystein Eggen , 2003
4. Product and Modularity: Managing competitive product portfolios through holistic platform thinking, Jussi Heikkilä, Toni-Matti Karjalainen, Asko Martio & Petri Niininen, Helsinki University of Technology, 2002
5. Karl T. Ulrich & Steven D. Eppinger, Product design and development, 3rd ed.
6. Meyer, M. H., Utterback, J. M., 1993, “The Product Family and the Dynamics of Core Capability,” Sloan Management Review, 34(3), 29-47.
7. Muffato, M., 1999, “Introducing a Platform Strategy in Product Development,” International Journal of Product Economics, 60-61, 145-153.
8. Robertson, D., Ulrich, K., 1998, “Planning for Product Platforms,” Sloan Management Review, 19-31
9. 俞安琪、胡继忠、周巧凤、卢信强, LED 灯具与模块化LED照明产品,教育训练课程教材,2010
10. 胡继忠、周巧凤, 模块化与模块化产品设计,教育训练课程教材,2010
11. 周巧凤、胡继忠, LED模块化灯具创新设计,教育训练课程教材,2010
12. 周巧凤、胡继忠、卢信强, 隧道LED照明应用现状_问题分析与解决方法,教育训练课程教材,2009
13. 周巧凤、娄永琪、卢信强、胡继忠,产品平台与模块化LED照明产品系列,教育训练课程教材,2011
附录:
公司编号LE-SL-T1产品系列与安装情况
模块化LED路灯系列:
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模块化LED防犯灯系列:
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模块化LED隧道灯系列:
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模块化LED天井灯系列:
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模块化LED投射灯系列:
 
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