制造业信息化技术的发展趋势

制造业信息化技术的发展趋势

杨海成1　祁国宁2

1.中国航天科技集团,北京,1008302.浙江大学现代制造工程研究所,杭州,310027

　　　　摘要:讨论了制造业信息化技术的发展趋势,指出集成制造技术、绿色制造技术、智能制造技术、网络化制造技术和大批量定制造技术等将对21世纪初期的制造业产生重大的影响,介绍了集成制造技术、绿色制造技术、智能造制技术、网络化制造技术和大批量定制技术的主要内容。

杨海成　教授关键词:先进制造技术;制造业信息化;发展趋势;集成制造;绿色制造;智能制造;网络化制造;大批量定制

中图分类号:TP14;TH16　　　文章编号:1004-132Ⅹ(2004)19-1693-03

ResearchontheDevelopingTrendsofManufacturingInformatizationTechnology

YangHaicheng1　QiGuoning2

1.ChinaAerospaceScienceandTechnologyCorporation,Beijing,100830

2.ZhejiangUniversity,Hangzhou,310027

Abstract:Thedevelopingtrendsofmanufacturinginformatizationtechnologywereelucidated,anditisshownclearlythatseveralkindsofadvancedmanufacturingtechnologieswillbringaboutgreatinfluencesonmanufactureoftheearly21stcentury,suchasintegratedmanufacture,greenmanufacture,intelligentmanufacture,networkedmanufacturing,masscustiomizationetc.,meanwhilewhosemaincontentswereal2sointroduced.

Keywords:advancedmanufacturingtechnology;manufacturinginformatization;developmenttrend;integratedmanufacture;greenmanufacture;intelligentmanufacture;networkedmanufacturing;masscus2tiomization

0　引言

21世纪初期的制造技术,正在从以机器为特

元联系在一起,而是将原来没有联系或联系不紧密的单元组成为有一定功能的、紧密联系的新系统。

在不同的时期,集成和协同有不同的内涵和外延。集成和协同技术的发展过程见图1。

集成和协同的空间跨度部门内

企业内部门间产品制造过程过程

企业间供应链管理网络化制造产品全生命周期知识

征的传统技术时代,向信息化和系统化技术时代迈进,将进入增强企业快速响应能力的敏捷制造阶段。在这种背景下,制造业信息化技术发生了很大的变化,其内涵不断丰富,外延不断扩大。当前,制造业信息化技术的发展趋势可以概括如下:集成和协同是制造业信息化技术发展的主旋律;绿色制造成为制造业信息化技术发展的重要特征;智能制造加速了制造业信息化技术的发展;网络化制造改变了企业的运作方式;大批量定制提高了企业的快速应变能力。

集成和协同产品制造过程的时间跨度中的不同阶段集成和协同的重点主要集成和

信息

LANCAD/CAM/CAPP

Internet/Intranet新一代PDMERP/PDM

1　集成和协同是制造业信息化技术发展

协同技术企业应用集成数据仓库等

的主旋律

[1]

数据库

1.1　集成和协同技术的发展

图1　集成和协同技术的发展过程

纵观近几十年以来信息技术、制造技术和自动化技术的发展,集成和协同技术起着十分关键的作用。集成和协同不是简单地把两个或多个单

收稿日期:2003-11-08

从集成和协同的空间跨度来看,已经从原先的部门内,企业内各部门之间,发展到企业之间的集成和协同,目前的代表技术是供应链管理和网络化制造等;从集成和协同的时间跨度来看,已经从原先仅考虑产品生命周期某一阶段,发展到产

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品的全生命周期,目前的代表技术是产品全生命周期管理技术;从集成和协同的重点来看,已经从原先的信息集成、过程集成,发展到知识集成,目前的代表技术是知识管理和智能制造技术;从主要的集成和协同技术来看,由于计算机技术和网络技术的发展,为制造系统的集成提供了很多有效的工具,使得原先十分复杂的集成工作变得非常简单,如新一代PDM、企业应用集成(EAI)技术和数据仓库技术等。1.2　集成和协同的关键技术

以新一代PDM和企业应用集成(EAI)技术为例说明集成和协同技术的发展。

(1)新一代PDM技术　将Web技术与PDM系统相结合,可以大大提高PDM系统的效率和性能,从而有效地支持网络化制造的实现。在这一方面还有大量的研究工作要做。图2表示了一种基于Web的PDM系统的体系结构。这种体系结构的PDM系统具有良好的开放性,可以很方便地集成各种应用系统,包括面向对象的或非面向对象的系统。使用者可以通过统一的Web浏览器透明地访问系统中的各种数据,为实现产品全生命周期管理提供了很便利的工具。

面临日益增长的产品废弃物的压力以及资源日益缺乏的问题。为了缓解资源短缺与资源浪费的矛盾,减少大量的失效、报废产品对环境的危害,最大限度地利用废旧产品中的零部件,在联合国环境署和工业中心的倡导下,旨在保护环境、实现人类社会可持续发展的洁净化生产在世界各国纷纷兴起,绿色制造成为21世纪制造技术发展的重要特征。

绿色制造是一种综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式。绿色制造的目标是使产品在从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个生命周期中,对环境的负面影响最小、资源效率最高。绿色制造涉及的范围非常广,包括制造领域、环境领域和资源领域等。因此,实现绿色制造的企业应当在产品构思、设计、制造、装配、包装、运输、销售、售后服务及产品报废回收等产品全生命周期中每个环节充分考虑资源和环境问题,最大限度地优化利用资源和减少环境污染。2.2　绿色制造的关键技术

绿色制造技术目前还在发展和完善的过程中,其关键技术有绿色设计技术、绿色制造企业的管理技术、绿色再制造技术等。

(1)绿色设计技术　绿色设计技术是绿色制造的重要组成部分。绿色设计是指在对产品及其生命周期全过程的设计中,在充分考虑产品的功能、质量、开发周期和成本的同时,优化各有关设计因素,尽可能将产品及其制造过程对环境的总体影响减少到最小。绿色设计的主要研究内容包括:面向环境的产品设计;面向环境的制造环境设计或重组;面向环境的工艺设计;面向环境的产品包装方案设计;面向环境的产品回收处理方案设计等。

(2)绿色制造企业的管理技术　在不久的将来,绿色制造系统将成为一种可持续发展的企业组织、管理和运行的新模式。绿色制造企业的管理,其主要研究内容包括:绿色制造产品的生命周期管理;绿色ERP管理模式及系统;企业的物能资源管理系统;环境影响评估系统等。

(3)绿色再制造技术　废旧产品的再制造是通过各种高新技术来实现的。在这些再制造技术中有很多是及时吸收最新科学技术成果的关键技术,如先进表面技术、再制造毛坯快速成形技术、纳米涂层及纳米减摩自修复技术、修复热处理技术、应急快速维修技术、过时产品的性能升级技术等。在进行再制造的过程中需要用到各种信息技术的支持。

图2　基于Web的PDM系统[2]

(2)企业应用集成(EAI)技术　企业应用集

成技术是最近国内外一个热门的研究领域。企业应用集成技术可以把不同的应用系统集成为一个整体,在系统集成中得到了非常广泛的应用。其关键技术有消息中间件、过程代理、工作流技术、应用服务器以及WebServices技术等。

2　绿色制造成为制造业信息化技术发展

的重要特征[3,4]

2.1　绿色制造的发展

制造业是国民经济的支柱产业,但也是消耗资源的大户和环境污染的源头。人类的生存环境

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制造业信息化技术的发展趋势———杨海成　祁国宁

3　智能制造加速了制造业信息化技术的

发展

3.1　智能制造的发展

智能制造是21世纪先进制造技术发展的重要方向。智能制造系统是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化系统,在制造过程中能进行诸如分析、推理、判断、构思和决策等智能活动,并有效地管理和利用制造过程中的各种知识。智能制造技术旨在通过人与智能机器的有效协同,扩大、延伸和部分取代人类专家在制造过程中的脑力劳动,以实现制造过程的优化。智能制造将人工智能融进产品设计、工艺过程设计、生产计划调度、工艺过程控制、制造和装配等环节,提高制造系统各个环节的智能水平,使制造系统具有更高的柔性。

近年来,专家系统、人工神经网络、模糊逻辑、遗传算法等新一代人工智能技术在制造领域取得了大量的研究与应用成果,并出现了综合应用专家系统、人工神经网络、模糊逻辑和遗传算法等人工智能技术的混合智能系统(hybridinte2lligentsystem,HIS)。3.2　智能制造的关键技术

型技术;生产管理知识表示与知识获取技术;集成

环境下协同建模与仿真系统;基于多智能主体的群体决策支持系统;智能化企业组织与管理模型;智能管理优化方法;面向管理决策的多媒体人机智能接口系统;智能化计划优化技术;基于智能优化方法的企业管理信息系统;智能化生产车间的组织形式与体系结构;智能化车间生产过程重组与配置技术等。

(3)智能化制造技术及系统　智能化制造技术及系统将各个层次的制造过程互相连接并加以集成,而无需考虑其所处的地理位置。智能化制造技术及系统可将信息收集、分析和处理功能集成到自学习环境中,对所有的制造资源和工艺过程进行全面的控制,而且还能预测问题,修正加工动作,并具有自学习、自调整和自恢复功能。目前,智能化制造技术及系统发展的趋势和研究重点是:数字化、智能化数控机床;智能化物流系统;具有智能、基于模型和开放式控制结构的模块化加工装备;智能化自配置装配系统;智能化标签等。

(4)智能化集成技术及系统　目前,对智能化集成技术的研究不断深入,其主要内容包括:智能化制造网络平台;智能公共信息服务系统;制造知识共享使能工具集;智能化企业数据与资源管理系统;分布式智能协商(冲突消除)处理系统;传感器网络技术等。

智能制造的主要研究内容包括:智能化设计技术及系统;智能化管理技术及系统;智能化制造技术及系统;智能化集成技术及系统等。这些技术成为制造业信息化技术的重要组成部分。

(1)智能化设计技术及系统　智能化设计是应用现代信息技术,采用计算机模拟人类的思维活动,提高人机系统中计算机的智能水平,使计算机更多、更好地承担设计过程中的各种复杂任务,成为设计人员的得力助手。目前,智能化设计技术及系统发展的趋势和研究重点是:支持创新设计的智能化工具;智能行为建模技术;现代设计方法和技术;产品广义优化理论、方法和技术;设计知识表示技术;多种推理机制的综合应用技术;智能化人机接口;智能设计与分析顾问系统;支持从概念设计、产品设计、工艺设计到工厂设计全过程的智能设计软件;集成智能工艺信息系统等。

(2)智能化管理技术及系统　将信息化和智能化技术融入企业的管理系统,可以大大提高管理的效率和管理的质量,减轻管理工作的强度,使人们有更多的时间和精力从事创造性和战略性的工作。目前,智能化管理技术及系统发展的趋势和研究重点是:商务智能(businessintelligence,BI)及商务智能决策支持系统;企业的智能管理模

4　网络化制造改变了企业的运作方式

4.1　网络化制造的发展[5]

20世纪90年代,随着计算机技术和网络技

术的迅速发展以及经济的全球化,一种新的经济模式———网络经济正逐渐成为现代经济的主流。因特网由于其互联性、交互性和时空压缩性,对经济全球化和市场全球化等产生了巨大的影响。人们的生活因此而发生了根本的转变,传统的制造业也因此而发生了巨大的变革,产生了一系列新技术、新设备和新方法。一种新的制造模式———网络化制造正在逐渐形成。

网络化制造系统是企业在网络化制造模式和方法的指导下,在网络化制造集成平台和软件工具的支持下,结合企业具体的业务需求,设计和实施的基于网络的制造系统。网络化制造技术是支持企业设计、实施、运行和管理网络化制造系统所涉及的所有技术的总称。4.2　网络化制造的关键技术

网络化制造由四方面技术组成,即综合技术、使能技术、基础技术和支撑技术,其中很多技术还

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有待于进一步研究。

(1)综合技术　网络化制造系统相关的综合技术主要包括产品全生命周期管理、协同产品商务、大批量定制和并行工程等。在上述综合技术中包括了各种新的管理理念,在相应的使能技术、基础技术和支撑技术的支持下,结合网络化制造系统的特点,这些综合技术可以有效地解决网络化制造中的不同问题。

(2)使能技术　网络化制造系统相关的使能技术是一些网络化制造系统的关键共性技术,常用的使能技术有CAD、CAE、CAM、CAPP、ERP、SCM、PDM、客户关系管理、供应商关系管理、制造执行系统等。

(3)基础技术　网络化制造系统相关的基础技术包括标准化技术、产品建模技术和知识管理技术等。这些技术虽然一般不直接解决具体的问题,但是作为利用使能技术解决具体问题的基础,起着十分重要的作用。

(4)支撑技术　网络化制造系统相关的支撑技术(如计算机技术与网络技术),直接影响网络化制造系统运行的效率和可靠性,是实施网络化制造的基础设施。

上述四方面技术组成了一个有机的整体,相辅相成,从不同的方面有效地支持了企业实施网络化制造。

大批量定制的技术体系尚在完善之中,包括三方面关键技术:面向大批量定制的开发设计技术、面向大批量定制的管理技术以及面向大批量定制的制造技术。这些技术覆盖了产品的整个生命周期。

(1)面向大批量定制的开发设计技术　面向大批量定制的开发设计技术是实现大批量定制的核心和源头。面向大批量定制的开发设计技术包括产品开发设计技术与过程的开发设计技术,前者的对象是产品,而后者的对象则是产品的制造或装配过程。完整的面向大批量定制开发设计过程由面向大批量定制开发以及面向大批量定制设计两个过程组成,这两个过程的目的和任务不同,但具有十分紧密的联系。

(2)面向大批量定制的管理技术　为了获得全面实施大批量定制的综合经济效益,还应该针对大批量定制在管理方面的特点,采用相应的管理技术,包括各种客户需求获取技术,面向大批量定制的生产管理技术,面向大批量定制的企业协同技术,面向大批量定制的知识管理和企业文化等。这些技术形成了一个完整的体系,分别在不同的阶段,从不同的层次,支持企业实现大批量定制。

(3)面向大批量定制的制造技术　除了在产品开发设计和管理方面采用各种先进的技术和系统以外,对底层的制造技术和系统也提出了较高的要求。总的来说,面向大批量定制的制造技术应该具有足够高的物理和逻辑的灵活性,能够根据被加工对象的特点,方便、高效、低成本地改变系统的布局、控制结构、制造过程和生产批量等,有效地支持大批量定制。当然,为了有效地实现面向大批量定制的制造,在制造过程的上游还必须提供一定的条件。例如,产品设计和工艺设计必须做到标准化、规范化和通用化,以便在制造过程中可以利用标准的制造方法和标准的制造工具,优质、高效、快速地制造出客户定制的产品。

5　大批量定制提高了企业的快速应变能

力[6]

5.1　大批量定制的发展

制造业竞争的全球化和客户需求的多样化对制造企业提出了更高的要求:更多的产品变化,更

短的交货期,更低的产品成本和更高的产品质量。大批量定制就是在这种背景下产生的一种新的生产方式。

大批量定制是一种集企业、客户、供应商和环境等于一体,在系统思想指导下,用整体优化的观点,充分利用企业已有的各种资源,在标准化技术、现代设计方法学、信息技术和先进制造技术等的支持下,根据客户的个性化需求,以大批量生产的低成本、高质量和高效率提供定制产品和服务的生产方式。

大批量定制又称大规模定制、大规模客户化生产、批量定制和批量客户化生产等,这种既能满足客户的个性化需求而又不牺牲企业利益的生产方式,正在成为21世纪的主流生产方式。5.2　大批量定制的关键技术

・1696・

6　展望

围绕着以知识为基础的新产品竞争,一场以信息技术为特征的新的制造业正在波澜壮阔

地展开。科学与技术是这场的原动力,全球市场竞争则是推动这场的直接动力。竞争推动着制造技术的飞速前进,同时也向制造业提出了严峻的挑战。重振我国的制造业,发展我国的先进制造技术,赶上世界制造技术发展的潮流,是摆在我们面前的一项光荣而艰巨的任务!

(下转第1712页)

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[10]　罗尚虎.一个产品配置的理论与实践:[博士学位论

图2　过程管理系统框架

过程元件实例按照过程装配顺序自动组合到订单项目空间中。项目空间监控界面显示各流程执行的状态信息。对于未结束的生产过程,可以进行时间或资源的调整以优化整个项目空间的运行。

文].杭州:浙江大学,2001

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signtoProduction.ComputerIntegratedManufacturingSystems,1998,11(4):285～290

[13]　曹健,张申生.基于工作流复合的产品开发过程控制

5　结论

通过订单生产模式可以满足个性化的客户需求,从而赢得更多的市场机遇。订单生产模式也给

企业带来了挑战:个性化的订单意味着个性化的产品结构,同时也意味着需要采用相应的过程来完成订单的开发和生产。目前对产品配置模型、产品配置技术的研究已经得到了普遍的重视。从配置的角度看,产品需要配置,过程也需要配置。企业中采用的PDM、EPR、办公自动化等包含流程自动化支持的软件系统也为过程的配置提供了可能。本文提出了产品与过程集成配置的概念,并讨论了其实现方法。目前我们正在进一步完善支持该概念的企业业务过程运行环境。

参考文献:

[1]　张申生,曹健.敏捷制造的理论、技术与实践.上海:

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(编辑　晓　舟)

作者简介:曹　健,男,1972年生。上海交通大学计算机系副教授。主要研究方向为协同信息系统、服务计算和软件工程。发表论文

60余篇。张申生,男,1951年生。上海交通大学计算机系教授、博

士研究生导师。牟玉洁,女,1978年生。上海交通大学计算机系博士研究生。张建宏,男,1977年生。上海交通大学计算机系博士研究生。

(上接第1696页)

参考文献:

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(编辑　晓　舟)

作者简介:杨海成,男,1959年生。中国航天科技集团公司副总工程师、教授、博士研究生导师。主要研究方向为计算机辅助设计、制造业信息化和先进制造技术等。祁国宁,男,1949年生。浙江大学现代制造工程研究所教授、博士研究生导师。

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