敏捷制造使能技术开发研究

周焕明　邓宏筹

　　［摘要］　探索、分析了适合我国国情的敏捷制造使能技术，提出了8项主要研究内容和应部署的使能技术实质性工作。
　　关键词： 敏捷制造　敏捷性　敏捷制造使能技术

Research & Development on Enabling Technology for Agile Manufacturing

　　［ABSTRACT］　Enabling technology for agile ma_nufacturing (ETAM) is studied and analyzed in the paper based on the situation in China. At the same time, eight key research contents and the substantive jobs of enabling technology are mapped out.
　　Keywords: Agile manufacturing　Agility　Enabling technology for agile manufacturing

　　敏捷制造使能技术(Enabling Technology for Agile Manufacturing, ETAM)是指实施敏捷制造的必要技术和工具。包括信息网络基础结构、分布式数据库系统、多媒体等信息化技术；企业集成的决策支持系统、集成产品设计、先进的建模与仿真、集成制造计划和控制等集成化技术；具有柔性加工、智能化控制的敏捷车间系统技术；先进的组织与管理技术；基于全球的快速动态联盟合作机制和评价工具等。目前，国际上对敏捷制造使能技术的研究已从一般性讨论阶段转入实质性开发阶段，并对企业制造技术产生了深远的影响。

1　开发适合中国国情的敏捷制造使能技术
　　通过深入分析敏捷制造企业(AME)基本原理、敏捷制造企业模式、企业需求、敏捷性变量、评价敏捷性的主要指标和敏捷制造企业使能技术，结合我国的国情，建议开发如下8项使能技术：
　　. 企业信息网络基础结构
　　. 跨行业的全国广域网
　　. 支持敏捷制造企业的技术信息集成系统
　　. 异地并行工程设计技术
　　. 分布式数据库系统
　　. 敏捷车间系统
　　. 虚拟制造技术
　　. 快速原型制造技术
　　上述8项使能技术之所以适合中国的国情和特点，主要的理由是：
　　(1)有利于加速企业信息化进程，提高信息资源的利用率。信息网络是获取市场信息的主要途径，已成为实现产品制造的关键要素之一。加速推进信息化进程的基础设施建设，构造适应敏捷制造的企业信息网络基础结构，在跨行业的广域网支持下，依靠具有开放性、柔性、集成性、安全性和多媒体性能的分布式数据库系统，形成企业的动态联盟，是获得产品、人员、技术、管理信息的主要途径。
　　(2)有利于加速推进企业之间的动态联盟。改变“小而全、大而全”的生产模式，建立新的企业结构，形成稳定可靠的供应链和运行机制，将企业、供应商、客户有机地集成起来，加强相互合作，建立良好的伙伴关系，形成动态联盟，是企业快速响应市场并赢得市场的主要措施。
　　(3)有利于提高新产品的研制和开发能力。现在制约我国大中型企业发展的重要因素是：生产工艺陈旧，设备老化，创新产品少，新产品开发周期长。采用并行工程、虚拟制造、快速原型制造技术，有利于提高新产品的研制能力和开发速度。这些技术还可以加强产品工艺知识和产品结构性能两个方面的技术储备，提高承接用户新产品订货的能力，同时也能拓宽自己的新产品市场。
　　(4)有利于促进和改善企业的经营战略，利用敏捷制造原理对企业实行重组。开发上述使能技术，可促进企业建立现代化的生产组织、管理和经营模式，以加速产品—人—技术—管理信息与经营全过程信息的集成，提高企业组织、管理和经营的能力；同时，企业可以运用上述使能技术，掌握开拓产品市场的6个要素，即T(周期)、Q(质量)、C(性能价格)、S(服务)、D(产品开发)、E(环境)，制定企业的经营战略，努力提高对市场的快速反应以及参与竞争的实力。

1.1　企业信息网络基础结构
　　据统计，企业在复杂产品的开发过程中，有60%以上的时间消耗在收集和获取信息上，其余时间才真正用于创造性活动。信息社会的到来缩短了人们利用信息的时间和空间，竞争环境的变化使得企业更加依赖企业自身的信息基础结构。建立畅通的企业信息网，就能通过网络实现全局信息集成，以支持企业及时作出正确的市场形势分析及新产品开发的经营决策；支持基于分布式群决策系统的项目工作组开发新产品；支持企业敏捷的结构重组及资源、生产制造活动的高效管理；支持快速响应的产品销售及服务活动。建立企业内基于Intranet的信息网，以支持经营决策、产品开发设计、制造；建立企业外基于Internet/Extranet的动态联盟网，以支持市场形势分析及开展新市场的动态联盟的经营活动。综上所述，企业信息网是企业实施敏捷制造最重要的基础结构，建立企业信息网络已成为保障企业各功能结构正常运行的最基本手段。

1.2　跨行业的全国广域网
　　跨行业的全国性广域网可以支持企业间动态联盟的活动。要建立一个跨行业的全国性广域网，将分布在各地的制造商、供应商、客户联系起来。通过全国性的广域网了解盟友的特点、资源情况、设备能力、信誉等，支持快速实现企业间的动态联盟(虚拟公司)，实现盟友之间全局性的信息和数据的共享。这也有利于充分利用社会现有的制造资源，提高企业对市场的响应速度，减少重复投资和重复建设。
　　据美国“21世纪发展战略报告”估计，到21世纪，一个国家的经济实力将主要取决于其网络实施的规模和效率。我国现有的跨行业网络基础设施，如公用计算机互联网络(CHINANET)、公用数据网(CHINADDN)、中国金桥工程-经济信息主干网、中国科技网等，显然满足不了AME对多媒体数据传输的要求。初步估算，通过网络进行产品异地多媒体并行设计，包含3D、多媒体视频、声频等信息，从带宽网上获取数据的波特率不得低于2M bit/s，这样才有可能随时构造企业之间的虚拟局域网，满足虚拟公司运行对信息数据的要求。
　　信息和网络是企业广泛业务行为的使能器和集成器，它不仅把业务过程，而且把业务过程中的人集成起来。将来企业能否实现快速响应，还取决于企业业务过程自主能力及企业、供应商、客户之间快速建立联系的能力。

1.3　支持敏捷制造企业的技术信息集成系统
　　敏捷制造企业涉及的技术信息主要包括CAX，PDM，ERP，TQM等，其中包括企业的信息系统、功能软件、支撑技术等子系统的集成，这种整个企业的集成需要包括计算机、网络、分布式数据库、开放式信息系统、教育与培训系统的集成。构造AME的信息技术集成系统，有利于按照项目工作组的方式来运行，开展并行工程，实现产品—人—技术—管理信息集成，加速企业内部的信息流。通过分布式数据库系统提高信息的安全性、开放性、柔性、集成性，实现企业内部信息和资源共享，并快速实现与企业外信息的集成，提高企业的敏捷性。

1.4　异地并行工程设计技术
　　并行工程是随着CIMS技术的发展而提出的，现在我国许多企业已经开展了这方面的研究和应用推广工作。并行工程的重点是并行、集成、协同地设计产品及相关过程，基本目的是在更大的程度上满足产品开发对速度、质量、成本、环境的要求，并提高产品开发的一次性成功率。异地并行工程设计技术是敏捷制造的关键使能技术支持系统，计算机协同工作(CSCW)是并行工程的运行环境，涉及分布式网络技术、产品数据管理技术、多媒体技术、人工智能技术、人机交互技术、虚拟现实技术和数据库技术。这些技术，尤其是多媒体技术和虚拟现实技术的发展，为并行工程中的人机交流提供了更友好、更直观的工具。
　　异地并行工程设计技术还包括DFM、DFA等并行设计工具的研究开发，及并行设计过程的协调与控制技术的研究。

1.5　分布式数据库系统
　　分布式数据库系统(DDBS)是将分布在各个地区的通过计算机网络联系起来的局部自主数据库集成起来的数据库，是敏捷制造企业信息集成的基础和支柱。从我国企业现有的发展状况来看，计算机参与生产组织和管理、产品设计、支持制造、市场营销等的能力愈来愈强，但是，大量的数据只能在企业内部某些子系统内共享，企业全局技术信息的集成还存在一定的困难，因而开发该系统是非常必要的。加强信息及数据在企业、供应商、客户之间的交换，需要解决企业内部多种异构软件数据集成的问题。
　　数据库管理技术的新发展表明，PDM系统对支持并行开发产品过程中所产生的大量数据的一致性、完整性的管理方面，及并行开发的自动化过程管理方面，显示出极大的优势，因此要研究建立在底层DDBS上的基于PDM的领域集成框架，以支持优化的并行产品开发过程。

1.6　敏捷车间系统
　　发展敏捷制造企业，提高企业的敏捷性，必须发展相应的制造技术，即建立敏捷车间。适应敏捷制造企业的敏捷车间应具备开放性、柔性和集成性这几个特征。
　　(1)开放性。能对连续、不可预测的变化作出快速响应，了解企业外的产品特征、人员素质、技术发展、管理经验，借以提高自己。同时将自己的竞争优势通过网上发布，赢得合作伙伴。
　　(2)柔性。车间计划、调度控制、工艺计划与过程控制、设备控制系统等具有柔性，能适应多品种、少批量、甚至单件产品的生产。
　　(3)集成性。敏捷车间可以作为虚拟公司的组成部分，能很方便地增、减设备，能与外部系统就技术信息、管理信息、过程控制信息进行无缝集成。
　　以数字化控制技术和模块化可重构部件为基础的敏捷制造单元是敏捷车间系统开发的重点。单元控制器可以对底层设备实行集中控制、管理、调度、监测和诊断，它具有统一的界面、功能模型、数据结构和标准化通信协议，能支持异构的操作系统。其高智能调度功能对所管理的柔性自动化系统来说，除具有静态作业排序规划调度功能外，由于配有带模糊逻辑推理的知识库，所以还具有知识扩展的自学习功能，使系统具有实时动态调度功能，以实现敏捷制造的最佳路径柔性。

1.7　虚拟制造技术
　　敏捷制造企业追求的目标是对用户需求作出快速响应，虚拟制造是实现这一目标的有效途径。实现虚拟制造的主要手段是仿真，在产品的设计初期，借助建模和仿真技术及时模拟出产品在全生命周期的各种活动，可以对产品的配置(包括零件—部件—整机装配)、产品的构造(结构布局、干涉检查)进行仿真。同时，通过仿真预测、检测、评价产品性能，能对产品进行早期验证。对产品的生产过程进行仿真，可包括连续制造过程、离散制造过程中遇到的各种问题，如工艺过程控制、设备动态组合、故障处理、状态信息的获取、零件加工仿真等，以降低试制的负荷，更加有效、经济、柔性地组织生产，达到产品的开发周期和成本最佳化、产品设计质量的最优化和生产效率的最高化。
　　虚拟制造涉及产品全生命周期内过程的集成，制造资源(硬件、软件、人、标准)的集成，现实制造系统(RMS)与虚拟制造系统(VMS)的集成。我国的虚拟制造技术已在产品设计、加工仿真、虚拟装配等方面展现了一些应用成果，在新产品开发和研制中的作用已受到制造商的广泛重视，在我国开发此项技术已有一定的基础。

1.8　快速原型制造(RPM)技术
　　RPM技术是将CAD和CAM系统结合起来制造样机和零件的技术，采用这种方法制造样机不需要模型和模具，可以在很短的时间内完成，可以大幅度缩短整个周期，它是提高AME新产品开发能力的有效途径。RPM是机械工程、CAD/CAM、数控技术、激光技术以及材料科学的集成，它可以自动而迅速地将设计思想物化为具有一定结构和功能的原型，能直接制造零件，从而可以对产品设计进行快速评估、修改，以便迅速响应市场的需求，提高企业的竞争力。
　　快速原型制造技术可以看成是虚拟制造技术的补充，虚拟制造是在计算机上“制造产品”，而RPM是采用快捷方式制造产品样机，其共同目的是缩短产品的设计、开发周期，改善产品的性能。当前，RPM主要用于家用电器制造行业，据统计，到1996年2月，全世界RPM厂家已发展到230家，可以预计，RPM技术将成为21世纪很有发展前景的技术。

2　开发使能技术的方法和对策
　　(1)着手部署实质性的研究开发内容。
　　在有关部门的支持下，系统地部署敏捷制造使能技术开发项目，有计划、有步骤地组织实施。
　　(2)采用预研、工程化、市场开拓相结合的方法，推动使能技术的研究与应用。
　　组织高校、研究机构、专业化公司进行技术攻关和项目的工程化，并组织强有力的跨行业项目组开展工作，培养和支持一批技术产业，并在一些有条件的先行企业推广应用。
　　(3)扶持一些单位、培养一批专门人才长期开展相应的应用基础研究。
　　敏捷制造是21世纪企业的重要特征，敏捷制造本身是一个不断发展和不断完善的过程，因此，敏捷制造使能技术也是不断发展和完善的。扶持一些单位、培养一批专门人才长期开展工作，可以保持技术的持续性和不断发展。
　　(4)开展国际合作和学术交流，提高技术水平。
　　大力引进国外敏捷制造企业在研究和实施上取得的成就和经验，为我所用，减少投资风险。要结合中国国情，讲究实效。
　　要开展国内学术和经验交流活动，加强知识的传播，提高企业对敏捷制造企业的认识，推进敏捷制造技术的研究和发展。

863计划资助项目。
作者单位：周焕明　邓宏筹　北京航空工艺研究所

参考文献
　1　Kazuaki Lwata, Masahiko Onosato, Koji Teramoto, et al. Virtual manufacturing system as advance information infrastructure for integrating manufacturing resources and activities. Annals of the CIRP, 1997,46(1)
　2　Greis N P, Kasarda J D. Agile logistics in the new manufacturing enterprise. Agility Forum 4th Annual, 1995
　3　Devor R E, Kapoor S G, Melkot S, et al. Software testbeds for the development and implementation of enabling technologies for agile manufacturing. Agility Forum 4th Annual,1995
　4　Nagel R N. 21st century manufacturing strategy. AD-A257032,1991
　5　蒋新松.我国制造业面临的形势及可供选择的对策.计算机集成制造系统，1997(2)
　6　邓宏筹，胡春晓，刘现柱.敏捷制造模式的研究.计算机集成制造系统，1997(12)

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