复杂产品制造信息化的重要技术

作者：中国工程院院士 李伯虎

欢迎访问e展厅 展厅 8 CAD硬件/先进制造技术展厅 图形工作站, 绘图仪/大幅面打印机, 3D控制器/3D鼠标, ... 众所周知，复杂产品制造业是国民经济和国家安全的重要基础，它的竞争将直接关系到国力的兴衰。目前，复杂产品制造企业竞争的具体表现是：新产品(P) 及其T（开发时间）、Q（质量）、C（成本）S（服务）、E（环境清洁）和K（知识含量）。“复杂产品集成制造系统技术”正是为适应这种竞争背景，在相关新技术推动下提出并发展中的一门新兴技术。 复杂产品制造信息化的重要技术——复杂产品集成制造系统中，“复杂产品”定义为“客户需求复杂、产品组成复杂、产品技术复杂、制造流程复杂、试验维护复杂、项目管理复杂、工作环境复杂的一类产品”，如航天器、飞机、汽车、船舶、复杂机电产品等。 必须指出，“制造”是“大制造”，它包括产品从规划到报废全生命周期的全部活动。这些活动不仅局限在企业内部，往往涉及多个企业之间，甚至可扩展到全球化企业动态联盟。 经过50多年的努力，我国制造业已成为国民经济的重要组成部分，其工业增加值占GDP的35%，工业增加值居世界第四位，约为美国的1/4、日本的1/2，与德国接近。中国已成为制造大国，但还不是强国。与国际先进国家相比，我国制造业总体上仍存在15～20年左右的阶段性差距。我国制造业面临严峻形势，不跨越发展没有出路，必须在“产品创新、管理创新、技术创新”上有重大突破，其中“用信息化带动工业化”是跨越发展的一个重要措施——“制造业信息化”。 应当深刻理解我国“制造企业信息化”内涵，它是一项具有深远战略意义的复杂系统工程。它以贯彻党的十六大报告中指出的“信息化是加快实现工业化和现代化的必然选择。坚持以信息化带动工业化，以工业化促进信息化，走出一条科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染少、人力资源优势得到充分发挥的新型工业化路子。”为指导思想，以信息（采集、传递、加工、处理、应用）技术为核心，将信息技术、建模与仿真技术、现代管理技术、设计与生产技术、系统工程技术及产品有关的专业技术综合运用于产品研制的全系统、全生命周期，通过实施企业（或集团）的产品设计/生产/管理/试验领域及其全企业集成的信息化，使企业（或集团）产品研制全系统、全生命周期活动中的人/组织、经营管理、技术（三要素）及信息流、物流、价值流、知识流（四流）集成优化，进而改善企业（或集团）产品(P)及其开发时间（ T ）、质量（ Q ）、成本（ C ）、服务（ S ）、环境清洁（ E ）和知识含量（ K ），提高企业（或集团）的敏捷性、柔性及健壮性，以达到增强企业（或集团）的市场竞争能力，为企业（或集团）实现跨越式发展作出重要贡献的目标。 我国近20年的实践表明：“集成制造系统”是实现制造业信息化的一种有效手段”。 体系结构、技术体系 体系结构 复杂产品集成制造系统是一个复杂的系统，应当采用系统的观点，从经营理念、运行模式和全生命周期的制造要素与活动等多个方面综合分析、研究它。复杂产品集成制造系统体系由项目主管企业、协作企业、供应商和客户的企业集成制造系统(EIMS)的集群组成。其中，企业集成制造系统由四个应用分系统和一个支撑分系统组成。 技术体系 “复杂产品集成制造系统技术体系”是对“现代集成制造系统技术体系”的进一步扩展： 总体技术：包括系统总体运营模式；系统集成方法论；系统集成技术；标准化技术；企业建模和仿真技术及系统开发与实施等技术。 产品设计技术：包括CAX/DFX技术，如CAD、CAE、DFA（面向装配的设计）、DFM（面向制造的设计）等技术；SBD(基于仿真的设计)；多学科虚拟样机设计；逆向工程；绿色设计；网络设计；智能设计及面向大规模定制生产模式的设计等技术。 经营管理与决策系统技术：包括项目管理；MIS；OA；MRPⅡ（制造资源规划）、SCM（供应链管理），CRM（客户关系管理），ERP（企业资源规划）, DEM（动态企业建模），及电子商务等技术。 试验技术：包括单件例行试验；整机组件试验；系统综合/匹配试验；靶场合练/飞行试验技术等。 加工生产与装备技术：包括数控机床；数控加工中心；工业机器人；FMC（柔性制造单元）；FMS（柔性制造系统）；VM（虚拟制造）；可重组机器/装备；MES(制造执行系统)及RPM（快速成形制造）等技术。 系统支撑环境技术：包括网络、数据库、集成平台/框架，计算机辅助软件工程，PDM (产品数据管理)，计算机支持协同工作，人/机接口及网格等技术。 值得关注的几项技术 系统总体运营模式 集成制造系统理念、经营模式规定了集成制造系统运行的整体战略、技术路线和模式。目前，较成功的能用于集成制造理念、经营模式包括并行工程/并行企业、精益生产、基于仿真的采办、敏捷制造和我国提出的现代集成制造系统等。其主要内涵可概括为：综合运用产品有关的专业领域技术、信息技术、建模/仿真技术、系统技术、设计/工艺/加工生产技术、管理技术；建立以供应链为中心的企业动态联盟；运用产品设计工作及其相关过程（包括加工生产过程和管理过程）并行、一体化的系统化工作模式；建立精简、高效的业务流程和扁平化组织；通过使制造全系统、全生命周期活动中人/组织、经营管理、技术（三要素）及信息流、物流、价值流、知识流（四流）的集成优化，改善新产品(P) 及其T（开发时间）、Q（质量）、C（成本）S（服务）、E（环境清洁）和K（知识含量），提高联盟的敏捷性、协同性、精良性、健壮性，以达到提高联盟竞争能力的目标。复杂产品集成制造系统是基于上述理念构成的“数字化、网络化、智能化、绿色化、集成优化”的制造系统；复杂产品集成制造系统支持的企业是一个“精益型、敏捷型、协作型、学习型”的数字化企业。 企业的复杂产品集成制造系统理念、经营模式应根据企业实际情况，综合、吸取和发展上述的理念、经营模式。 复杂产品虚拟样机工程 虚拟样机技术是一种崭新的产品开发方法，它是一种基于产品的计算机仿真模型的数字化设计方法。这些数字模型即虚拟样机（virtual prototype）从视觉、听觉、触觉以及功能和行为上模拟真实产品。其核心是工程设计技术、建模/仿真技术和VR/可视化技术这三类技术的集成。它利用虚拟样机代替物理样机对产品进行创新设计、测试和评估。 复杂产品虚拟样机技术是在各领域CAX（如CAD、CAM、CAE等）/ DFX（如DFA、DFM等）技术基础上进一步融合先进建模/仿真技术、现代信息技术、先进设计制造技术和现代管理技术，将这些技术应用于复杂产品全生命周期、全系统、并对它们进行综合管理和强调虚拟化及从系统的层面来分析、模拟复杂产品的一种系统化的工程设计与管理方法。复杂产品全生命周期虚拟样机的开发已构成了包括人、管理及技术集成的“复杂产品虚拟样机工程”。 复杂产品虚拟样机工程的开发与实施涉及许多关键技术与相关研究领域，如系统总体技术、复杂产品虚拟样机建模技术、复杂产品协同仿真技术、复杂产品虚拟样机管理技术、样机总体概念设计与总体性能评估技术、虚拟环境技术（包括环境仿真模型、环境效应的模拟和虚拟现实VR技术）、模型VV&A（校验、验证和确认）技术和支撑平台/框架技术等。其体系结构如图4所示。 经营管理与决策技术 复杂产品集成制造系统的经营管理与决策技术是使企业资源集成优化，合理完成企业产品全生命周期活动的关键技术。 已有的技术包括MRP/闭环MRP/MRPⅡ/ERP/SCM/CRM/项目管理/电子商务等，并还在发展中； 新的技术趋势有：基于知识的企业产品全生命周期过程管理、控制与优化；基于知识库的全生命周期产品数据管理与企业资源的动态管理与优化；多项目、多指标的项目管理、智能化商务技术；SCM/CRM/ERP/电子商务集成管理；多项目、多指标的项目管理与SCM/CRM/ERP/电子商务的集成。 值得指出，项目管理是复杂产品集成制造系统中经营管理与决策技术的重要组成部分，基于经典的项目管理技术体系，还要重视研究下列几个项目管理技术：复杂产品工程项目全生命周期风险评价理论、多项目有限资源下的综合进度管理与资源优化调配、支持复杂产品工程项目管理的知识管理理论，以及知识管理与项目管理的融合技术。 虚拟试验技术 复杂产品试验涉及单件例行试验；整机组件试验；系统综合/匹配试验；靶场合练/飞行试验技术等。其中值得加强研究的是虚拟试验。 虚拟试验就是在虚拟现实环境中，利用数字化模型代替实物原型，进行产品性能的试验分析。虚拟试验系统可以作为真实试验的前期准备工作, 可以部分替代现实世界中难以进行的试验, 或费时、费力和费钱的试验，可以减少对人及环境的危害。使试验次数可以不受限制, 试验过程具有可重复性, 虚拟试验系统还提供了很好的交互性和一定的沉浸感。 虚拟试验涉及的关键技术有：虚拟试验环境的开发；虚拟试验数据的采集、处理与分析；被试验对象综合健康管理；虚拟试验的计划、管理与实施等。 制造执行系统(MES) 近年来，制造执行系统得到制造业信息化领域的关注，它是一种位于企业上层ERP与底层设备自动控制系统之间的、面向车间层的管理系统。一方面，MES可以对来自ERP的生产管理信息进行细化、分解，将来自计划层操作指令传递给底层控制层；另一方面，可以采集设备、仪表的状态数据，以实时监控底层设备的运行状态；同时，可以为ERP、SCM提供生产现场的实时数据，实现生产制造数据的自动化采集，从而加强计划管理层与底层控制之间的沟通，起承上启下的作用。 制造执行系统涉及的关键技术有：快速响应制造系统的模式、机制和体系及流程优化；基于WEB、快速可重构MES体系框架和应用平台技术；PDM/ERP/MES数据集成关键技术；现场数字采集和综合信息平台技术等。 质量管理技术 复杂产品集成制造系统的质量管理技术是对复杂产品全生命周期进行质量保证和质量控制的关键技术，它的实施已构成一个系统工程。复杂产品集成制造系统的质量工程包括设计质量工程、制造质量工程和服务质量工程等部分。 已有技术有QFD（质量功能部署）；质量数据采集、统计/分析；成本管理；遵照ISO9000系列标准的全面质量体系及产品检测、质量控制、制造过程诊断与控制等。 进一步发展的技术有：动态联盟内全生命周期的全面质量管理；集成化项目质量管理与控制；质量数据挖掘分析；规范化质量信息采集；基于新一代web技术质量工具集的无缝集成以及安全性等技术。 基于EAI/多层次PLM的集成系统平台技术 我们认为，要重视开发“基于EAI（企业应用集成）/多层次PLM（产品全生命周期管理）集成系统平台”，以支持复杂产品制造企业/集团的全生命周期活动中应用/信息/功能服务的集成。 利用EAI实现复杂产品数字化设计/试验/生产/管理集成系统网络环境中应用程序之间的应用到应用的集成。信息集成平台EAI可以基于共享信息模型SIM（Shared Information Model，是一种使用XML语言描述的各子平台需要交换和共享的信息模型）和Web services/Grid技术研发实现。 * 在基于SIM XML的共享信息交换机制下，系统的共享信息模型以XML文档的形式输出，文档中的标签都使用SIM XML架构来描述，这种文档可以很方便地经过解析输入到其他系统和平台。 * Web Services/Grid技术通过开放的Internet标准消除了现存解决方案（如CORBA和DCOM）中的互用性问题。复杂产品数字化设计/试验/生产/管理集成系统平台使用Web Services/Grid技术，通过松散的服务捆绑集合形式能够快速、低代价的开发、发布、发现和动态绑定应用。各子系统/平台中包装好的应用程序将使用SIM(XML)、SOAP、WSDL和UDDI等技术将它们的函数或方法作为服务的接口来显示。 制造网格技术 有人认为，网格技术被誉为继Internet和Web之后的“第三个信息技术浪潮”，有望提供下一代分布式应用和服务，对信息系统研究和应用的发展将产生深远的影响。“网格”的目标是使分布在网络上的各类异构、自治的资源（包括计算能力、存储能力、数据/知识/仪器等资源）按照需要进行能力集成、共享和协同工作，形成动态的虚拟组织，实现跨自治域的可信资源组织、管理和利用，提高资源的综合利用效率，有效地满足面向互联网/广域网的大型复杂应用对资源共享和协同工作的需求。“网格”是一种公共基础设施，它将成为社会基础设施的一个重要组成部分，对社会的发展产生积极的影响。 制造业新发展对“网格技术”的需求，主要包括：支持动态联盟虚拟企业运行；支持基于WEB的制造商、客户和合作伙伴的大协同；支持产品协同商务；支持虚拟复杂产品协同开发工程等。作者建议的实现策略：将现代网络技术（Internet, Web Service and Grid Computing ）和先进制造技术结合——构成“制造网格”，以支持“复杂产品集成制造工程”。 “制造网格”的技术内涵：简单地讲，制造网格是用于制造领域的网格。具体地讲，制造网格是一种新型的网络化先进制造系统。它以动态联盟内复杂产品的异地、协同制造需求为背景，综合应用现代网络技术（Internet, Web Service and Grid Computing 等）和先进制造技术，实现动态联盟内各类资源（包括制造系统/项目参与单位有关的模型资源、计算资源、存储资源、网络资源、数据资源、信息资源、知识资源、软件资源，与应用相关的制造设备等）安全地共享与重用、协同互操作、动态优化调度运行，从而有效地支持复杂产品进行论证、研究、分析、设计、加工生产、试验、运行、评估、维护和报废（全生命周期）活动。 从网格技术的角度分析，制造网格具有以下特色： * 支持以异地、协同虚拟设计/虚拟制造为代表的紧耦合/协作型（资源/服务组成一个作业，资源/服务间有信息流、事件流，强调时空一致性与交互操作等）协同工作；（有别于其它网格）。 * 支持以异地、协同设计/生产/管理为代表的松耦合型协同工作；（有别于其它网格）。 * 支持多类（高性能）资源/服务共享与协同； * 支持多用户的协同工作。（有别于其它网格）。 制造网格技术是军民两用技术，它将对制造的应用模式、管理模式和支撑技术上带来巨大的变革与创新，并将产生重大的社会和经济效益。 复杂产品制造网格的核心关键技术包括： * 体系结构和总体技术； * 网格服务中间件技术（服务资源的动态综合管理技术，网格资源协同互操作技术，QoS技术，网格运行的监控和优化调度技术）； * 面向制造应用（设计、生产、试验、管理、集成）的服务中间件技术； * 网格资源服务化技术； * 制造网格门户技术； * 网格安全技术等。 我们已开发成一种用于虚拟样机开发的制造网格。 实践表明，复杂产品集成制造系统的理念、方法、技术、工具的研究、开发、应用、推广能有效地提高我国制造企业的竞争力。 复杂产品集成制造系统技术是将制造技术与现代信息技术、管理技术、自动化技术、系统工程技术等有机结合的，并还在发展中的多学科综合性技术。 复杂产品集成制造系统的实施是一个系统工程，加强与系统工程理念、方法、技术、工具的融合定会有力推进集成制造系统的研究、开发与应用。 复杂产品集成制造系统技术良性循环发展的路线应该是：“从应用需求出发→建立系统→系统带技术/产品→技术/产品促系统→系统服务于应用”。 复杂产品集成制造系统中值得关注的几个技术：系统总体运营模式；复杂产品虚拟样机工程；集成制造系统的经营管理与决策技术；虚拟试验技术。 * 制造执行系统；复杂产品集成质量管理技术。 * 基于EAI/多层次PLM的集成系统平台技术；制造网格技术。 同时，必须重视同步调整我国新产品（P）的结构及发展其专业技术。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (8/1/2006)