21世纪的先进生产制造方式

面向21世纪的“先进制造与管理模式”

随着全球化市场竞争日趋激烈，顾客应用要求的个性化，产品需求向多元化发展，促使企业生产规模从单品种大批量朝多品种变批量的方向发展，给企业提出了新的要求。制造企业要在竞争中立于不败，必须要采用先进的制造技术与先进的管理方法，降低生产成本，缩短生产周期，并能快速响应市场需求的变化。同时，制造企业为提高竞争力，快速占领市场，在竞争的同时还需不断促成有关企业之间的区域性联合或跨国合作，以形成动态联盟。在这种背景下，一些先进的制造模式和管理模式不断出现和发展。本文就目前国内外所关注的有关先进制造模式和管理模式给予简单介绍。

第一部分先进制造模式

一、虚拟制造(VM-Virtual Manufacturing)

20世纪80年代就提出了虚拟制造(VM)的概念，到90年代得到广泛重视和发展。VM是一种新的制造技术，它以信息技术、仿真技术和虚拟现实技术为支持，在产品设计或制造实现之前，就能使人感到未来产品的性能或制造过程状态，从而可以提前作出决策与优化实施方案。

1．VM的概念

虚拟制造是一个处于发展中的新概念，目前还没有一个完全统一的定义，又因为VM研究的出发点，侧重面及应用场合的不同，所以，VM就有各种不同的定义。

1）Kimura、Onosato等定义：VM是现实制造系统上虚拟环境下的映射，是针对现实制造环境的虚拟模型，该模型为生产规划、调度和管理提供测试环境。

2）Chetan Shukla等定义：VM是一个发展中的研究领域，其目的是通过虚拟现实技术将各种与制造者有关的技术集成起来。

3）Hitchcock等定义：VM是一个用于提高制造业内各级决策和控制能力的集成的，虚拟的制造环境。

4）Nahavandi、Preece等定义：VM是已经存在或不存在的制造系统的仿真模型，该模型具有与制造过程，过程控制和管理以及产品有关的所有信息。

5）Lin定义：VM是应用计算机模型和制造过程来辅助产品的设计和制造。

6）Iwata定义：VM是实现沟通制造工程和信息基础结构建立新型信息基础结构最有希望的方法。

K．I．Lee和S．D．Noh定义：VM系统是表示现实制造系统物理和逻辑结构与特性的一种集成计算机模型。

近几年来，我国一些单位，特别是863/CIMS主题项目，对虚拟制造也进行了不少研究，并结合企业进行了不同程度的实施，取得了一定的效果。

2．VM的关键技术

VM的关键技术主要包括：各种建模技术、仿真技术、控制技术及所需的支持技术等。

1）建模技术

·产品、过程及生产系统建模；

·虚拟公司的建模；

·虚拟制造环境与现实环境之间的结构、功能等的映射关系的管理、维护、监控、更新等问题；

·基于分布式并行处理环境下的虚拟制造开放式体系结构模型；

·面向整个产品生命周期的综合经济模型和产品评价体系模型。

2）仿真技术

指运行和操作构成VM系统各种模型的所有仿真方法和技术及多模型集成的仿真技术。

3）控制技术

·模型部件的组织、调度策略及交换技术；

·仿真过程的工作流程与信息流程的控制；

·概念设计与制造方法、加工过程、成本估算集成技术；

·将动态的、分布的、协作模型的集成技术；

·实现最佳设计的冲突求解技术；

·基于仿真的推理技术；

·模型及仿真结果的验证，确认技术；

·虚拟制造环境下，产品开发过程中的高度与控制机制，以及面向产品开发过程中的组织与管理问题。

4）支持技术

·数据库技术

·产品数据管理技术

·人工智能在企业各级组织、产品生命周期各阶段决策中的应用；

·虚拟环境下多种协同机制技术；

·综合可视化技术；

·计算机软硬件集成技术及网络通讯技术。

二、并行工程(CE-Concurrent Engineering)

1988年美国国防分析研究所(IDA)的R.I.Winner提交了题为“并行工程(Concurrent Engineering)在武器系统采购中的作用”的研究报告中提出了并行工程的概念。并行工程的出现是为了解决传统的产品开发模式由于不能在设计早期很好地考虑产品生命周期中的各种因素，致使设计更改频繁，延长了产品开发周期，增加了产品的成本，并且还不能得到用户需求的满足这一难题。从而为企业赢得市场竞争提供了先进的制造模式。

1．并行工程的概念

并行工程的定义为：并行工程是为达到产品及其相关的各种过程(包括制造过程和支持过程)的一体化并行设计而采取的一种系统性的方法。这种方法力图使开发者从一开始就要考虑到整个产品的生命周期的所有要素，从方案开始直到各方面的安排包括质量、成本、进度以及用户需求等。

这一定义有两个主要观点：一是并行工程要求设计和制造过程的多项计划任务同时平行交叉进行；二是在设计阶段中很早就要考虑到一项产品的所有要素。这就是说，CE是关于设计过程的方法，它要在设计过程中全面地考虑到相关过程的各种问题，强调在生产前完成全部设计。CE的技术

构思是设计过程的集成，它不仅是可加工性、可靠性和可维护性设计，还包括产品的美观性，耐用性甚至产品报废后可处理性等更多需求的设计，其目的是优化设计。CE的实施改变了制造业的企业结构和工作方式，可缩短产品设计周期，优化生产过程，降低成本，提高产品的质量，提高产品创新能力，增强企业市场竞争力。

2．CE的关键技术

CE的实施有以下关键技术

1）产品开发过程建模技术

并行工程与传统生产方式的本质区别在于它把产品开发的各个活动作为一个集成的过程，从全局优化的角度出发，对该集成过程进行管理和控制，并对已有的产品开发过程不断地进行改进和提高，这种方法就称为产品开发过程重组。产品开发过程建模是其关键技术。在并行工程中，产品开发过程建模，就是对企业中产品开发过程的描述、抽象和提炼，并以此为基础完成对产品开发过程的规划、仿真和分析，产生适合并行工程要求的产品开发过程的组织方案。这一方案是对产品开发过程进行监控和管理的基础。

2）产品生命周期的数字定义技术

在并行工程中，产品生命周期的数字定义技术主要包括：全局产品模型定义；CAX和DFX等最具并行工程特色的技术；产品数据管理技术。全局产品模型就是按照集成化的思想定义产品开发过程的功能模型，构造数据流图、数据字典和全局信息模型。CAX主要包括CAD、CAM、CAPP、CAE 等。DFX是指面向性能的设计DFP、面向装配的设计DFA、面向制造的设计DFM、面向测试的设计DFT、面向质量的设计DFQ、面向成本的设计DFC及面向服务的设计DFS等。产品数据管理技术是指采用DBMS、PDM等产品数据管理工具，有效地、有规则地存取、集成、管理、控制产品数据和数据的使用流程。

3）决策支持技术

并行工程产品开发过程得以实现的前提条件之一是必须建立全局的决策管理模型，在相应的决策模型的支持下，产品开发活动形成有机的整体。决策支持主要包括：用户需求定义与保证。应用质量功能配置是一种

把用户需求作为最终质量保证因素映射到产品开发活动的系统化方法；产品开发过程的协同管理与控制。在并行工程中，可能存在资源不平衡、设计活动之间关于产品定义不一致、开发过程对上游设计评估不一致等冲突问题，都需要进行协同管理与控制；群组协同工作支持技术，是指基于计算机环境的各种软件工具，如多媒体会议系统，各种群件、办公自动化系统等。

4）支持平台技术

并行工程的实施，计算机网络与通讯技术，数据信息的存取，管理与控制的数据库管理和产品数据管理技术是很重要的平台支撑技术。

三、精良生产(LP-Lean Prochuction)

精良生产是美国麻省理工学院(MIT)于是1989年和1990年出版的《美国制造业的衰退及对策——夺回生产优势》和《改变世界的机器》两本专著中提出的概念，实际上在此之前日本在这方面已作了大量工作，如日本丰田汽车公司早已在这方面作了大量的实践。

1．LP的概念

LP是在生产实践中总结出来的新的生产概念。它的目的是要在一个企业里同时获得极高的生产效率，极佳的产品质量和很好的生产柔性。在生产组织上强调各部门相互密切合作的综合集成。这不仅限于生产过程本身，尤其重视产品开发，生产准备和生产之间的合作和集成。

精良生产首先在产品质量上追求尽善美，保证用户产品整个生命周期内都感到满意。在企业内部的生产组织上充分考虑人的因素，采用灵活的小组工作方式和强调相互合作的并行工作方式。在物料管理方面，准时的物料后勤供应的零库存的目标，使再制品大大减少，节约流动资金。在生产技术上，采用适度的自动化技术，明显提高了生产效率。这一切，都使企业资源能够得到合理的配置和充分的利用。

LP的主要特征有：

1）面向客户企业重视客户的需求，与客户保持密切的联系，不仅向客户提供服务，还要洞悉客户的思想和要求，以最快的速度和最适宜的价格向客户提供优质的适销新产品去占领市场。

2）以人为本企业重视职工的作用，强调一专多能，以企业各部门

的专业人员组成面向项目产品的工作小组，赋于每个职工有一定的独立自主权，充分发挥员工的积极性和创造性。

3）以精简为手段要精简一切生产中不创造价值的工作，减少管理层次，精简组织机构，简化开发过程和生产过程，减少非生产费用，强调一体化质量保证。

4）精益求精企业要持续不断地改进生产，降低成本，力求达到零废品，零库存和产品品种多样化。

2．LP的关键技术

实现LP的关键技术有成组技术(GT)、准时生产(JIT)、全面质量管理(TQM)三大支柱技术和网络环境支持下的并行工程技术。

1）成组技术(GT)

应用GT技术可将原生产系统的老模式改变成流水型和单元型的新模式，可使企业工作简化和有序。这是实现多品种、小批量、低成本、高柔性、按顾客定单组织生产的基础。

2）准时生产(JIT)

JIT是实施LP的核心，它以市场需求为驱动，按质、按量、按时提供市场需求的产品，是缩短生产周期，加快资金周转和降低生产成本的主要方法。

3）全面质量管理(TQM)

LP要求企业职工重视产品质量，采用TQM是保证产品质量，树立企业形象和达到零缺陷的主要措施。

4）计算机网络及其网络环境下的并行技术

这是实现LP的基层支持技术。在先进制造系统中网络技术(包括硬件、软件技术)都是不可缺少的。并行技术在实施LP中，主要反映在产品的设计中。

四、敏捷制造(AM-Agile Manufacturing)

1988年美国通用汽车公司和里海(lehigh)大学一起提出了敏捷制造的概念。1991年由里海大学的Dr.Roger和Dr.Rich Dove为首的百余名专家，向美国国会提交了题为《21世纪制造企业战略》的报告，报告提出了通过实施敏捷制造战略夺回美国在制造业的领先地位。1992年，美国成立

了敏捷制造企业协会(AMEF)，该协会每年均要召开有关敏捷制造的国际会议。目前，美国在该领域处于领先地位，美国已有上百个公司，企业在进行敏捷制造的实践。我国也有一些单位在研究敏捷制造技术。1993年我国863/CIMS主题专家组就开始跟踪研究敏捷制造技术，并结合我国制造企业的实际情况，布置了一系列的研究开发项目。

1．AM的概念

敏捷制造是制造业发展战略的一个新的概念，目前世界有不少国家在研究AM，但尚无公认的定义。美国敏捷制造的提出者认为：AM被定义为能在不可预测的持续变化的竞争环境中使企业繁荣和成长，并且具有面对由顾客需求的产品和服务驱动的市场作出迅速响应的能力。

敏捷制造是作为替代大量生产的一种新型制造模式，是人们寻求的一种新的制造策略。敏捷制造的目标是建立一种对用户需求作出灵敏快速反应的市场竞争力强的制造组织和活动。敏捷制造有丰富的内涵：·AM的出发点是多样化，个性化的市场需求和瞬息万变的经营机遇，是一种“订单式”的制造方式；

·AM反映的是制造企业驾驭变化，把握机遇和发动创新的能力。

·AM强调人的积极因素，强调有知识、精技能、善合作、能应变的高素质的员工，充分弘扬人机系统中人的主观能动性；

·AM推行面向产品过程的小组工作方式，企业间有机驱动而形成的动态联盟。

敏捷制造的基本特征是智能和快捷。智能是指利用人的智力、知识、经验和技艺等内在的能力，同时也利用人工智能技术。快捷是指对顾客驱动的市场的响应灵活而快捷。敏捷制造就是根据市场的变化，通过信息交换网络将不同地域、不同企业的制造资源进行组合，以快捷的方式生产市场所需要的产品。

2．AM的关键技术

在《21世纪制造企业战略》中，所描述的2006年美国敏捷制造企业模式中，含有20多项使能技术。其中最为重要的有：

1）基础技术-CIM技术。计算机集成制造(CIM)是敏捷制造的基础技术，CIM技术是一种组织、管理与运行企业生产的技术，它利用计算机硬件、

软件，综合运用现代管理技术，制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术，将企业生产全过程中有关人、技术、经营管理三要素及其信息流与物流有机地集成并优化运行，以实现产品高质、低耗、快速上市，从而使企业赢得市场竞争。

2）环境技术——网络通讯技术。企业实施敏捷制造，必须逐步建立企业内部网和企业外部网。利用内部网实现企业内部工作组之间的交流和并行工作，利用外部网，实现资源共享，异地设计和异地制造，及时地、最佳地建立动态联盟。

3）统一技术——标准化技术。标准化技术是实现集成、网络通讯的重要技术之一，首先要作企业内部的产品设计、制造、管理的标准化、规范化，还要充分利用电子技术的有关国际标准，以便进入国际合作大环境，参加国际动态联盟。

4）虚拟技术——建模和仿真技术。这一部分的关键技术在虚拟制造中已有详述。

5）协同技术——并行工程技术。并行工程技术是对产品及相关过程(包括制造过程和支持过程)进行并行、一体化设计的系统化技术。其关键技术在并行工程中有详述。

五、绿色制造(GM-Green Manufacturing)

由于全球经济以前所未有的高速度持续发展，给环境带来了严重的污染，结果带来了全球变暖、臭氧层破坏，酸雨、空气污染、水源污染、土地严重沙化等恶果。据统计，造成环境污染的排放物有70%以上来自制造业，它们每年约产生出55亿吨无害废物和7亿吨有害废物。这早就引起人们对环境治理的重视，但传统的环境治理方法是末端治理，不能从根本上实现对环境的保护，必须从源头上进行治理。对制造业来说，就是要考虑产品整个生命周期对环境的影响，最大限度地利用原材料、能源、减少有害废物和固体、液体、气体的排放物，改进操作安全，减轻对环境的污染。1996年美国制造工程师学会(SME)发表了关于绿色制造的蓝皮书《Green Manufacturing》，提出了绿色制造的概念，并对其内涵和作用等问题进行了较详细的介绍。

1．绿色制造(GM)的概念

由于绿色制造提出的较晚，其要领和内函尚处于探索阶段，至今还没有统一的定义。综合当前的研究，绿色制造可定义为：绿色制造是一个综合考虑环境影响资源效率的现代制造模式，其目标是使得产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个产品生命周期中，对环境影响(负作用)最小，资源效率最高。

绿色制造的理论基础是社会生态学，它是人与构成环境的各种自然要素的组合及其形成的各种生态关系的组合。从制造业来看，绿色制造涉及三大领域即：制造领域(包括产品生产周期全过程)；环境领域；资源领域。绿色制造的内容涉及到绿色设计及其相关的绿色材料，绿色工艺、绿色包装，绿色处理等问题。从产品生命周期看，绿色制造涉及到市场需求，产品设计和开发、资源供应、制造生产、包装储运、销售服务、产品报废处理等整个过程。由此可看出，绿色制造的目标是产品周期时间短(T)，产品质量好(Q)，产品成本低（C），服务支持优(S)，能最大限度地消除环境的负影响(E)。即TQCSE。提高制造业的竞争力。

2．绿色制造的关键技术

绿色制造技术已成为世界各国关注的热点，不少专家学者对其进行研究，我国也有一些科研单、，高等院校、企业对绿色制造技术进行了广泛的研究和探索。目前研究的绿色制造的关键技术有：

1）绿色制造的理论框架

主要研究绿色制造模式的有关概念，适用范围和系统框架，其目的是为实施绿色制造技术和研究提供总的指导。

2）绿色产品生命周期设计技术

·绿色材料使材料在制备、使用以及用后处理等生命周期的各阶段，具有最大的资源利用率和最小的环境影响。

·绿色工艺对制造业，绿色工艺指清洁工艺，既提高经济效益，又减少环境影响的工艺。

·绿色包装选择包装材料，改进产品结构，减少重量，包装简化，使产品包装达到对环境影响最小。

·绿色设计绿色设计不仅包括产品设计，还包括产品制造过程和制造环境的设计。

·绿色处理面向环境的产品回收处理技术。

3）绿色制造的评估标准和方法

衡量绿色制造对环境的影响，首先要制定有关标准，如：

·制造过程物料资源消耗评估标准；

·制造过程能源消耗评估标准；

·制造过程排放评估标准；

·产品使用过程对环境污染评估标准；

·产品寿命终结后对环境污染评估标准。

各种评估标准制定后，就要研究评估方法问题，评估方法包括定性评估方法和定量的评估方法。

4）绿色制造的集成技术

绿色制造的集成技术包括：

·绿色制造领域的集成：包括制造领域(产品生命周期全过程)，环境领域、资源领域的集成；

·绿色制造问题的集成：包括绿色设计及相关的绿色材料、绿色工艺、绿色包装、绿色处理的集成；

·绿色制造效益的集成：包括绿色制造的社会效益和企业经济效益的集成；

·绿色制造的过程集成：绿色制造覆盖了产品生命周期的每一过程，它是以数据库、产品数据管理、产品数据交换标准的产品生命周期的各过程的集成。

六、智能制造(IM-Intelligent Manufacturing)

20世纪80-90年代，提出了智能制造的概念。日本在1991年发起了智能制造系统的国际合作研究开发计划，其目的是实现当前生产技术的标准化，开发出能使人和智能设备都不受环境和国界限制、彼此合作的高技术生产系统。目前欧美已有许多国家参加了这一计划。

1．智能制造(IM)的概念

IM是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化智能系统，它在制造过程中能进行智能活动。如分析、推理、判断、构思和决策等。通过人与智能机器的合作共事，去扩大、延伸和部分地取代人类专家在制造

过程中的脑力劳动。

IM是将神经网络技术和模糊控制技术等先进制造技术应用于制造业，使制造过程实现智能化。它将信息技术集成进行分析，判断并具有规划自身的能力，因此集成是智能的基础。目前的智能制造系统是人机一体化的智能系统，是采取以人为中心，人与机器一体的技术路线，人与机器处于平等的地位，组成一个系统，各自执行自己擅长的工作，共同认识、共同感知、共同决策和共同工作。

当前智能制造技术还处在探索、研究和开发阶段，但可以断定智能制造技术将是21世纪制造业的发展方向。

2．智能制造的关键技术

智能制造研究的主要技术有：

1）企业集成技术：包括建模技术、系统结构、计算机网络、数据库、知识库、产品数据管理和交换技术等。

2）企业全面制造技术：包括并行工程、组织和经营、供销管理等。

3）智能制造单元技术：包括并行智能设计、智能调度、规划、仿真、与优化，质量信息智能处理，制造过程的智能监视、诊断、补偿与控制，生产与经营的智能决策等。

4）绿色制造技术：包括环境安全、废料处理、节省资源、减少环境污染和控制等。

5）人的组织和管理：包括面向人的生产系统，内部和外部协调、人机柔性交互技术、人才的培养与教学系统等。

6）先进的物料处理技术：包括加工、成型和复杂处理技术。

7）智能机器的设计技术：包括机器人智能技术、机器自学习和自维护技术、智能制造单元及其设计、制造与控制技术等。