CIMS与并行工程集成：解决生产过程问题

CIMS工程经过多年的研究与实践，已基本实现了从实验室走进工厂的跨跃。但早期的研究设计中，人们过于强调技术集成，忽略强调人的集成，使得CIMS并不尽人意。20世纪80年代中期开始，人们先后提出“并行工程”“敏捷制造”“智能制造”“虚拟制造”等涉及技术和管理的新理念，并在国内外兴起了研究和实践的热潮。

1）并行工程

传统产品制造的工作方式是串行的，即市场分析、产品设计、工艺设计、计划调度、生产制造是按顺序依次进行的，也就是说，只有前一个工作环节完成后，后一个工作环节才能开始，各个工作环节的作业在时序上没有重叠和反馈，即使有反馈也是事后的反馈。因此，产品开发的周期长，新产品上市慢，而且设计与制造脱节，一旦制造出现问题，就要修改设计，产品的市场竞争能力弱。为了提高产品的市场竞争能力，美国国防分析研究所于1988年提出了“并行工程”的概念。并行设计将产品开发周期分解成多个阶段，各个阶段间有某部分相互重叠，如图7-10所示。由图7-10可以看出，并行工程是站在产品整个生命周期的高度，从而打破了传统的部门分割和封闭的制造模式，更加强调参与者的协同工作，特别重视产品开发过程的重组、重构。换句话说，在并行工程环境下，特别强调的是把正确的信息、在正确的时间里、以正确的方式送给正确的人，以便人作出正确决策，从而缩短产品的开发周期，实现提高产品竞争能力的目的。

图7-10　并行设计过程

并行工程是一种哲理，是充分利用现代计算机技术、现代通信技术和现代管理技术来辅助产品设计的一种工作方式，即“并行工程是集成地，并行地设计产品及其相关的工作过程的系统方法。这种方法要求产品开发人员在设计一开始就考虑产品整个生命周期中从概念形成到产品报废处理的所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户要求”。

并行工程作为产品开发的集成化方法，若以CIMS信息集成为基础，将能发挥更大的作用。这是因为CIMS虽然实现了信息的连续传递和共享、减少了数据、提高了产品设计效率，但其开发过程仍然采用的是按专业划分部门和递阶控制的传统方式，没有从根本上改变串行的产品开发流程和产品开发的组织结构，在缩短产品开发周期/提高一次性设计成功率上的效果并不显著。因此，将并行工程在CIMS上应用，就可更好地解决CIMS产品串行开发过程问题，使CIMS的功能更加完善。

2）精益生产技术（Lean Production，LP）

精益生产是日本丰田汽车公司创造的一种新的生产方式。精益生产的概念早在20世纪50年代就被提出，20世纪60年代已发展成熟，直至20世纪80年代才被人们承认。精益生产的核心内容是准时生产方式（JIT），同时，又在成组技术（GT）和全面质量管理（TQC）的基础上逐步完善，构成了一个以LP为屋顶，以JIT、GT、TQC为支柱，以并行工程和小组化工作方式为基础的模式，如图7-11所示。

图7-11　精益生产的体系构成

精益生产的主要特征表现为：强调人的作用，它是以“人”为中心的现代生产组织管理方式。在精益生产中，职工是企业的主人，企业把雇员看作是比机器更为重要的固定资产，所有工作人员都是企业的终生雇员，是企业的主人，且每位雇员都是多面手，其创造性可以得到充分发挥。在组织管理上，强调简化组织结构和产品开发过程，采用并行工程的方法简化开发过程，减少开发时间和人力的投入。强调以简化为手段排除生产中一切不产生价值的工作，减少非生产性费用，并简化产品检验环节，保证最小的库存和最少的在制品数。以用户为“上帝”，产品面向用户，以多变的产品、尽可能短的交货期来满足用户的需求。强调一体化的质量保证，以产品的尽善尽美为最终目标。

JIT是日本丰田汽车公司创立的一种生产管理方式，所谓“准时”，它的基本思想是“按需生产，实现最少的库存直至零库存”，也就是说，只在需要的时候，按需要的量，生产所需要的产品。JIT的生产管理方式与传统方式顺序相反。它由产品装配工序开始组织生产，也就是说由产品实际产量决定满足质量要求零件的准确加工数量。为了实现这一目的，每道工序都有两种形式的“看板”，一种是生产看板，由后一道工序向前一道工序提出，生产工人按照此看板制造零部件；另一种是移动看板，后道工序按照此看板的指示向前道工序领取所需合格零部件。在JIT中，因为全部生产由最后的装配工序调整和平衡，它要求每个工序都提供准确数量的合格品，宁可生产中断也不积压储备，这就要求每道工序都要保证生产质量。JIT在减少设备、材料、零件浪费的同时，还通过“少人化”来实现降低成本的目的。在JIT组织的生产过程中，操作工人的数量根据生产的变动可弹性配置。因此，JIT一方面要求生产设备要实施独特的设备布置，另一方面要求作业人员必须有责任感、全局观念，又是具有多种技术的“多面手”。

3）敏捷制造（Agile Manufacturing，AM）

敏捷制造是美国通用汽车公司与美国理海（Lehigh）大学工业工程系于1991年在《21世纪制造企业战略》报告中提出的。敏捷制造指的是制造企业能够把握市场机遇，及时动态地重组生产系统，在最短的时间内向市场推出有利可图的、用户认可的、高质量的产品。其特点是通过先进的柔性生产技术与动态的组织结构和高素质的工作人员的集成，获取企业长期的经济效益。

敏捷制造的目标是要实现企业间的集成，敏捷制造的核心问题是组建动态联盟（也称虚拟企业）。动态联盟是充分利用现代通信技术把地理位置上分开的两个或两个以上的成员公司组成在一起的一种有时限（非固定化）的，相互依赖、信任、合作的组织，通过竞争被核心公司吸收加入。为了共同的利益，每个成员只做自己特长的工作。把各个成员的专长、知识和信息集成起来，以最短响应时间和最少的投资为目标，来满足用户的需求。

敏捷制造具体方式体现为：迅速地研制全新的产品，并不断改造老产品；在整个产品生命周期中满足用户要求；采用多变的动态组织结构；生产成本与生产批量无关；最大限度地发挥人的作用。

实现敏捷制造的关键技术包括：计算机集成制造、计算机建模与仿真、虚拟制造技术、企业经营过程重构、快速原型制造技术、网络技术、并行工程与协同工作环境、企业资源计划、人工智能等。

敏捷制造在运行时采用的是优化的联盟的组合，运作协调，同时对运行效益和风险事前有充分的估计和评价，从而保证了在市场竞争中的取胜能力。

4）智能制造系统（Intelligent Manufacturing System，IMS）

智能制造是指利用计算机模拟制造专家的分析、判断、推理、构思和决策等智能活动，并将这些智能活动与智能机器有机地融合起来，将其贯穿应用于整个制造企业的各个子系统，以实现整个制造企业经营运作的高度柔性化和高度集成化，从而取代或延伸制造环境中专家的部分脑力劳动，并对制造业专家的智能信息进行收集、存储、完善、共享、继承和发展的技术。

智能制造系统是综合应用人工智能技术、信息技术、自动化技术、制造技术、并行工程、生命科学、现代管理技术和系统工程理论与方法，在国际标准化和互换性的基础上，使整个企业制造系统中的各个子系统分别智能化，并使制造系统成为网络集成、高度自动化的一种制造系统。其主要特征有以下几点。

（1）自律能力。IMS中的各种设备和各个环节都具有搜集与理解环境和自身信息，并进行分析判断和规划自身行为的能力。其中，具有自律能力的设备称为“智能机器”，能表现出一定程度的独立性、自主性和个性。

（2）自组织能力。IMS中的各种设备或组成单元能够按照工作任务的需要，自行组成一种最佳的结构，按最优的方式运行，完成任务后，该结构自行解散，并在下一个任务中组成新的结构。

（3）自学能力。IMS中的智能机器能以原有专家知识为基础并在实践中不断学习，不断完善系统的知识库。开放式的知识结构，使其工作能力随时间推移而优化。(www.xing528.com)

（4）自我修复能力。IMS能对系统故障进行自我诊断、自我排除、自我修复。

（5）人机一体化。IMS突出人在制造系统的核心地位，同时在智能机器的配合下，能更好地发挥人的潜能，使人和机器之间表现出一种相互理解、相互协作的关系，人和机器在不同的层次上各显其能，优势互补，相辅相成。

（6）虚拟现实。人机结合的新一代智能界面，使得可用虚拟手段智能地表现现实，这是智能制造的一个显著特点。

（7）智能集成。在强调各子系统智能化的同时，IMS更注重整个制造系统的智能集成。它包括经营决策、采购、产品设计、生产计划、制造装配、质量保证和市场营销等各子系统，并把它们集成为一个整体，实现整体的智能化。

智能制造系统的研究领域有智能设计、智能机器人、智能调度、智能诊断、智能办公系统、智能控制等。

5）虚拟制造

虚拟制造是用虚拟的方法在计算机上对产品的设计、制造、装配的全过程进行全面仿真的虚拟现实技术，是一种新的人机界面形式。虚拟现实是指用计算机和其他交互设备产生一个虚拟环境，利用人类自然的技能和感知能力与虚拟世界中的对象进行交互作用，使得参与者能与虚拟环境进行自然交流。在虚拟环境下，操作者会产生“身临其境”的感觉，并可以通过看、听、触摸等交互方式和虚拟世界进行交流。

虚拟现实系统有桌面虚拟现实系统、灵境虚拟现实系统和分布式虚拟现实系统三大类。桌面虚拟现实系统采用标准的CRT显示器和立体显示技术，通过六自由度鼠标和三维操纵杆来和系统交互，常用于工程CAD和建筑设计。灵境虚拟现实系统利用头盔显示器把用户的视觉、听觉和其他感觉封闭起来，产生一种身在虚拟环境中的错觉，常用于模拟驾驶。分布式虚拟现实系统是在灵境式虚拟现实系统的基础上，将不同的用户连接在一起，共享同一个虚拟空间，使用户达到一个更高的境界。

虚拟现实系统的开发环境可以是工作站或PC，一般以工作站为佳。系统中应专门配备图形加速卡，以提高图形的处理速度、增加真实感，软件则选用专门用来开发虚拟现实系统的软件。在此虚拟现实环境下，就能进行虚拟制造系统的仿真和实验，模拟产品设计、制造和装配的全过程。

6）企业资源计划（Enterprise Resource Planning，ERP）

物料需求计划（Material Requirement Planning，MRP）是应用计算机来计算物料需求和制订生产计划的一种方法，在企业应用获得成功，并发展成为制造业全面的生产管理系统——制造资源计划（manufacturing resource planning，MRPⅡ）。MRPⅡ主要是面向企业内部资源进行全面计划管理。在市场竞争加剧的形势下，企业竞争空间与范围的进一步扩大，促使ERP产生。

ERP是基于计算机技术和管理科学的最新发展，它在MRPⅡ的基础上扩展了管理范围，从理论与实践两个方面提供企业整体经营管理的解决方案，建立了新的结构，把客户需求和企业内部的制造活动、供应商的制造资源整合在一起，体现了完全按用户需求制造的思想，同时吸收了JIT、TQC等的管理思想，扩展了管理信息系统的范围。除了传统MRPⅡ系统的制造、财务、销售、分销、人力资源管理等功能外，ERP还集成了质量管理、决策支持等功能，并支持互联网、企业内部网和外部网及电子商务等。ERP根据市场的需求对企业内部和其供应链上各环节的资源进行全面规划、统筹安排和严格控制，以保证人、财、物、信息等各类资源得到充分、合理的利用，达到提高生产效率、降低成本、满足客户需求、增强企业竞争力的目的。

企业在实施ERP的过程中，要考虑对本企业的管理改造和流程优化，这样才能从根源入手，解决企业的管理信息化问题。

目前，ERP的作用从传统的资源优化和业务处理，扩展到利用企业间协作运营的资源信息，并且不仅仅是电子商务模式的销售和采购；由物流、资金流、信息流管理扩展到客户流、知识流的有效配置、控制和管理。ERP的系统结构是面向Web和面向集成设计的，同时是开放的、组件化的；其数据处理方式是面向分布在整个商业社区的业务数据进行处理的。同时，ERP也向着智能化方向发展，许多先进管理技术，如AM、LP等也体现在ERP软件系统中，使之成为崭新的现代制造企业的管理手段。

复习思考题

1.先进制造技术由哪些核心技术组成？

2.CAPP有哪些类型？

3.派生式CAPP与创成式CAPP在工作原理上有何不同？

4.创成式CAPP系统在应用上还存在哪些困难？

5.什么是柔性制造技术？它有哪些类型？

6.实施柔性制造系统时应主要考虑哪些问题？

7.柔性制造技术中“柔性”的基本概念是什么？

8.柔性制造系统是由哪些功能模块组成的？

9.试述CIM技术的基本概念及组成。

10.试述CIM技术中“并行工程”“敏捷制造”“智能制造”“虚拟制造”的基本概念。