【正文】 先進(jìn)制造系統(tǒng) Advanced Manufacturing System 一、計算機(jī)集成制造系統(tǒng)和現(xiàn)代集成制造系統(tǒng) 二、 CIMS的技術(shù)體系概述 三、 CIMS技術(shù)的發(fā)展趨勢及前沿問題 現(xiàn)代集成制造系統(tǒng) 一、計算機(jī)集成制造系統(tǒng)和現(xiàn)代集成制造系統(tǒng) 概述 計算機(jī)集成制造系統(tǒng)內(nèi)涵的變化 從系統(tǒng)理論看現(xiàn)代集成制造系統(tǒng) CIMS 系統(tǒng)的復(fù)雜性 復(fù)雜問題求解的基本框架 現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)實現(xiàn)技術(shù)內(nèi)涵的發(fā)展 信息集成 過程集成 （ 并行工程 ） 企業(yè)集成 （ 敏捷制造 ） 現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)的組成 CIMS與企業(yè)信息化 一、計算機(jī)集成制造系統(tǒng)和現(xiàn)代集成制造系統(tǒng) 概述 從 1986年立項， 1987年開始實施至今，已經(jīng)在我國的機(jī)械、電子、航空、 航天、輕工、紡織、石油、化工和冶金等主要制造行業(yè)中的二百多家企業(yè)中應(yīng)用。 1999年 華中理工大學(xué) 獲得 SME的 “ 大學(xué)領(lǐng)先獎 ” 。 1995年北京第一機(jī)床廠獲 SME的 CIMS“工業(yè)領(lǐng)先獎 ” 。 1994年清華大學(xué)獲得美國 SME（制造工程師學(xué)會 )CIMS “大學(xué)領(lǐng)先獎 ” （一般每年在世界范圍內(nèi)只評一所大學(xué)或一家企業(yè)）。 一、計算機(jī)集成制造系統(tǒng)和現(xiàn)代集成制造系統(tǒng) 計算機(jī)集成制造系統(tǒng)內(nèi)涵的變化 CIM最早是英文 Computer Integrated Manufacturing的縮寫 ， 直譯為計算機(jī)集成制造 ， 由美國人約瑟夫 哈靈頓 (J. Harrington)于 1973年提出來的 [7]。 哈靈頓認(rèn)為企業(yè)生產(chǎn)的組織和管理應(yīng)該強(qiáng)調(diào)兩個觀點 ， 即： 第一 ， 企業(yè)的各種生產(chǎn)經(jīng)營活動是不可分割的 ， 需要統(tǒng)一考慮 。 第二 ， 整個生產(chǎn)制造過程實質(zhì)上是信息的采集 、 傳遞和加工處理的過程 。 實際上 ,哈靈頓強(qiáng)調(diào)的一是整體觀點 ， 即系統(tǒng)觀點 ，二是信息觀點 。 二者都是信息時代組織 、 管理生產(chǎn)最基本的 ， 也是最重要的觀點 。 早期 CIMS組成框圖 2023/3/13 6 一、計算機(jī)集成制造系統(tǒng)和現(xiàn)代集成制造系統(tǒng) 計算機(jī)集成制造系統(tǒng)內(nèi)涵的變化 我國 863計劃在 1998年提出的新定義為 [9][10]： “ 將信息技術(shù) 、 現(xiàn)代管理技術(shù)和制造技術(shù)相結(jié)合 ， 并應(yīng)用于企業(yè)產(chǎn)品全生命周期 （ 從市場需求分析到最終報廢處理 ） 的各個階段 。 通過信息集成 、 過程優(yōu)化及資源優(yōu)化 ，實現(xiàn)物流 、 信息流 、 價值流的集成和優(yōu)化運行 ， 達(dá)到人（ 組織 、 管理 ） 、 經(jīng)營和技術(shù)三要素的集成 。 以加強(qiáng)企業(yè)新產(chǎn)品開發(fā)的 T（ 時間 ） 、 Q（ 質(zhì)量 ） 、 C（ 成本 ） 、 S（ 服務(wù) ） 和 E（ 環(huán)境 ） ， 從而提高企業(yè)的市場應(yīng)變能力和競爭能力 。 ” 實質(zhì)上已將計算機(jī)集成制造發(fā)展到 現(xiàn)代集成制造 。 一、計算機(jī)集成制造系統(tǒng)和現(xiàn)代集成制造系統(tǒng) 從系統(tǒng)理論看現(xiàn)代集成制造系統(tǒng) CIMS 現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)是信息時代的一種先進(jìn)生產(chǎn)系統(tǒng) ， 這是一種普遍存在的系統(tǒng)：凡是人造物 ， 都離不開設(shè)計 、 制造及相應(yīng)的管理 ， 這是一種對國家經(jīng)濟(jì) 、 安全至關(guān)重要的系統(tǒng) ， 這是一種復(fù)雜的人機(jī)大系統(tǒng) ， 提出了大量的尚待解決的新問題 ， 包括許多理論問題 。 系統(tǒng)的復(fù)雜性 1． 功能的復(fù)雜性 系統(tǒng)包含了產(chǎn)品從規(guī)劃設(shè)計到最終交付用戶使用的一切活動 。 如產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)過程 、 加工制造過程和經(jīng)營管理過程 （ 包括銷售及服務(wù) ） 等 。不僅有物流 ， 還有大量的人的活動 。 2． 對象的復(fù)雜性 相當(dāng)一部分過程和活動很難完全用一般的動力學(xué)系統(tǒng)模型 、 離散事件系統(tǒng)模型及混雜系統(tǒng)模型來描述 。 3． 隨機(jī)性 影響系統(tǒng)性能的隨機(jī)因素大量 、 經(jīng)常存在 ， 如：市場 、 原材料 、 零部件的供應(yīng) 、 合同 、 價格 、 設(shè)備的損壞 ， 人員的流動等等 。 一、計算機(jī)集成制造系統(tǒng)和現(xiàn)代集成制造系統(tǒng) 從系統(tǒng)理論看現(xiàn)代集成制造系統(tǒng) CIMS 4． 目標(biāo) /約束的多樣性 企業(yè)市場競爭力的提高 ， 表現(xiàn)在多個方面 ， 如 T（ Time上市時間 ） 、 Q（ Quality質(zhì)量 ） 、 C（ Cost成本 ） 、 S（ Service服務(wù) ） 、 K（ Knowledge產(chǎn)品創(chuàng)新 ） 、 E（ Environment環(huán)境等可持續(xù)發(fā)展 ） 等等 。 解決這樣的復(fù)雜系統(tǒng)的理論進(jìn)展還大大落后于實際應(yīng)用的需求 。 圖 一、計算機(jī)集成制造系統(tǒng)和現(xiàn)代集成制造系統(tǒng) 從系統(tǒng)理論看現(xiàn)代集成制造系統(tǒng) CIMS 復(fù)雜問題求解的基本框架 基本框架如下： 管理 （ 包括生產(chǎn)組織模式 ） 理念與模式； 方法論； 實現(xiàn)技術(shù)； 數(shù)學(xué)等理論工具； 一、計算機(jī)集成制造系統(tǒng)和現(xiàn)代集成制造系統(tǒng) 從系統(tǒng)理論看現(xiàn)代集成制造系統(tǒng) CIMS 復(fù)雜問題求解的基本框架 1． 管理 （ 包括生產(chǎn)組織模式 ） 理念與模式 大量的先進(jìn)的管理理念 ， 如計算機(jī)集成制造； “ 推式 ” 計劃的生產(chǎn)組織 MRPII；精良生產(chǎn)與 “ 拉式 ” 生產(chǎn)組織；經(jīng)營過程重組；協(xié)作生產(chǎn)的組織模式 （ 不是 “ 小而全 ”“ 大而全 ” ） 等等 。 這些管理理念對企業(yè)的影響是至關(guān)重要的 。 2． 方法論 體系結(jié)構(gòu)的概念 （ 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ） ；開放系統(tǒng)的概念以及標(biāo)準(zhǔn)化；企業(yè)建模的方法論 ， 如功能模型 、 信息模型 、 決策模型 、 組織模型 、 資源模型和動態(tài)模型等等 。 方法論不在數(shù)學(xué)層次解決問題 ， 但重要的在于將問題納入一個正確的方向 。 多數(shù)情況下 ， 方法論主要還在定性階段 ， 但對某些問題 ， 如大型軟件開發(fā)采用功能模型便十分有效 ， 對數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) ， 信息模型是主要工具 。 一、計算機(jī)集成制造系統(tǒng)和現(xiàn)代集成制造系統(tǒng) 從系統(tǒng)理論看現(xiàn)代集成制造系統(tǒng) CIMS 復(fù)雜問題求解的基本框架 3． 實現(xiàn)技術(shù) 如何建立一個現(xiàn)代集成制造系統(tǒng) ？ “ 現(xiàn)代 ” 包含了當(dāng)今信息技術(shù)的最新成果：數(shù)字化 、 網(wǎng)絡(luò)化 、 虛擬化 、 智能化 、 綠色化與集成化 。 信息集成：異構(gòu)環(huán)境下的信息集成 ， 包括了協(xié)議的共存與轉(zhuǎn)換；異種數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)共享；應(yīng)用軟件的數(shù)據(jù)交換等 。 過程重組和優(yōu)化 （ 并行工程 ） ：過程建模及優(yōu)化 （ 串行過程 → 并行過程 ） ， 上游過程考慮下游過程的設(shè)計工具 DFX、 虛擬制造裝配 、 性能評估技術(shù)和計算機(jī)協(xié)同工作環(huán)境等 。 資源優(yōu)化（敏捷制造是資源優(yōu)化更快的響應(yīng)市場）：網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計制造的支持工具、使能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全、供需鏈管理，從物流（ logistics）到電子物流（ elogistics）、電子商務(wù)以及協(xié)同產(chǎn)品商務(wù) CPC（Collaborative Product Commerce）等等。 一、計算機(jī)集成制造系統(tǒng)和現(xiàn)代集成制造系統(tǒng) 從系統(tǒng)理論看現(xiàn)代集成制造系統(tǒng) CIMS 復(fù)雜問題求解的基本框架 4． 數(shù)學(xué)等理論工具 （ 1） 生產(chǎn)線的調(diào)度優(yōu)化理論 （ 機(jī)器不可靠有限緩沖器情況下的串行 、 并行 、 混合等生產(chǎn)線的調(diào)度問題 ） 如最小化完工時間 ， 最小化拖期任務(wù)數(shù) ， 帶特殊工藝約束以及提前 /拖期等調(diào)度問題 。 多數(shù)情況下數(shù)學(xué)方法很難獲得閉合解 ， 數(shù)學(xué)計算和智能算法的結(jié)合往往是有效的 。 （ 2） 推 /拉結(jié)合的生產(chǎn)計劃與調(diào)度 MRPⅡ 是美國制造業(yè)管理技術(shù)的精華 ， 它把對最終產(chǎn)品的需求通過 BOM展開為對零部件和原材料的需求 ， 用物料投入的方式推動系統(tǒng)運行 ， 故稱推式控制策略 。 JIT是日本豐田的管理思想 ， 用產(chǎn)品或成品的取出來拉動系統(tǒng)運行 ， 因此稱拉式控制策略 。 一、計算機(jī)集成制造系統(tǒng)和現(xiàn)代集成制造系統(tǒng) 從系統(tǒng)理論看現(xiàn)代集成制造系統(tǒng) CIMS 復(fù)雜問題求解的基本框架 4． 數(shù)學(xué)等理論工具 （ 3） 并行產(chǎn)品開發(fā)過程的調(diào)度優(yōu)化問題 產(chǎn)品的開發(fā)過程由一系列活動組成 ， 傳統(tǒng)的串行過程由于上游設(shè)計過程不考慮下游的制造工藝及裝配 ， 往往造成經(jīng)常性的返工 ， 使產(chǎn)品開發(fā)時間大大增加 ， 成本提高 。 變串行的活動為盡可能多的并行活動 ， 資源 （ 設(shè)備 、 人員 ） 需要優(yōu)化配置 ，其中需要考慮信息的約束和活動中可能存在的反饋 。 因此問題成為：在考慮信息約束條件下 ， 通過資源的優(yōu)化配置 ， 極小化產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)時間 。 一、計算機(jī)集成制造系統(tǒng)和現(xiàn)代集成制造系統(tǒng) 從系統(tǒng)理論看現(xiàn)代集成制造系統(tǒng) CIMS 復(fù)雜問題求解的基本框架 4． 數(shù)學(xué)等理論工具 （ 4） 供需鏈管理中的優(yōu)化問題 供需鏈?zhǔn)敲枋錾唐沸?、 產(chǎn) 、 供過程中各實體的活動及其相互關(guān)系的動態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò) 。 企業(yè)必然會從 “ 小而全 ”“ 大而全 ” 的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)調(diào)整為協(xié)作化產(chǎn)品制造的生產(chǎn)結(jié)構(gòu) 。 這便形成了供需鏈 。 由于多種原因 ，企業(yè)在物料獲取 、 加工和產(chǎn)品 （ 零部件 ） 配送過程中存在提前期的不確定性 ， 因此安全庫存和安全提前期可以緩解提前期變動的影響 。 圍繞供需鏈的越來越廣泛的應(yīng)用 ， 相關(guān)的優(yōu)化問題也很多 。 例如考慮運輸時間服從一定的概率分布的前提下 ， 如何在滿足一定顧客服務(wù)水平的同時 ， 實現(xiàn)庫存費用極小化等 。 一、計算機(jī)集成制造系統(tǒng)和現(xiàn)代集成制造系統(tǒng) 從系統(tǒng)理論看現(xiàn)代集成制造系統(tǒng) CIMS 復(fù)雜問題求解的基本框架 4． 數(shù)學(xué)等理論工具 （ 5） 智能方法 ， 如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 、 遺傳算法 、 多智能體技術(shù)等 這些智能方法在解決上述應(yīng)用問題時是有效的 。理論參數(shù)計算與智能方法相結(jié)合是解決不少復(fù)雜問題的一種行之有效的辦法 。 一、計算機(jī)集成制造系統(tǒng)和現(xiàn)代集成制造系統(tǒng) 現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)實現(xiàn)技術(shù)內(nèi)涵的發(fā)展 信息集成 1． 企業(yè)建模 、 系統(tǒng)設(shè)計方法 、 軟件工具和規(guī)范 這是系統(tǒng)總體設(shè)計的基礎(chǔ) 。 沒有企業(yè)的模型就很難科學(xué)地分析和綜合企業(yè)各部分的功能關(guān)系 、 信息關(guān)系以至動態(tài)關(guān)系 。企業(yè)建模及設(shè)計方法解決了一個制造企業(yè)的物流 、 信息流 、 以至資金流 、 決策流的關(guān)系 ， 這是企業(yè)信息集成的基礎(chǔ) 。 2． 異構(gòu)環(huán)境下的信息集成 所謂異構(gòu)是指系統(tǒng)中包含了不同的操作系統(tǒng) 、 控制系統(tǒng) 、數(shù)據(jù)庫及應(yīng)用軟件 。 如果各個部分的信息不能自動地交換 ， 則很難保證信息傳送和交換的效率和質(zhì)量 。 異構(gòu)信息集成主要解決下面三個問題： （ 1）不同通信協(xié)議的共存及向 ISO/OSI的過渡 （ 2） 不同數(shù)據(jù)庫的相互訪問 （ 3）不同商用應(yīng)用軟件之間的接口 一、計算機(jī)集成制造系統(tǒng)和現(xiàn)代集成制造系統(tǒng) 現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)實現(xiàn)技術(shù)內(nèi)涵的發(fā)展 過程集成 （ 并行工程 ） 并行工程的關(guān)鍵技術(shù)： 1）產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)過程的重構(gòu)和建模，即將原來的串行作業(yè)過程，盡可能地轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑿凶鳂I(yè)。 串行作業(yè)： 結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化方案設(shè)計與論證原理實驗與分析詳細(xì)設(shè)計工藝審查確定工藝方案生產(chǎn)準(zhǔn)備加工制造與測試產(chǎn)品驗證較多一般頻繁偶爾一、計算機(jī)集成制造系統(tǒng)和現(xiàn)代集成制造系統(tǒng) 現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)實現(xiàn)技術(shù)內(nèi)涵的發(fā)展 過程集成 （ 并行工程 ） 并行作業(yè)： 方案設(shè)計與論證 詳細(xì)設(shè)計 確定工藝方案 CA PP, CA FD M PS 生產(chǎn)準(zhǔn)備 原理實驗與分析 D FX R PM CAE 加工制造與檢測 實驗驗證 預(yù)發(fā)布 偶爾 偶爾 較少 發(fā)布會 一、計算機(jī)集成制造系統(tǒng)和現(xiàn)代集成制造系統(tǒng) 現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)實現(xiàn)技術(shù)內(nèi)涵的發(fā)展 過程集成 （ 并行工程 ） 并行工程的關(guān)鍵技術(shù)： 2）支持并行作業(yè)的多學(xué)科的協(xié)同工作小組，以及計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（往往是廣域網(wǎng)）支持下的協(xié)同工作環(huán)境（ CSCW）和 PDM，它可以提供異地設(shè)計人員在同一時間對設(shè)計的評價和修改，進(jìn)而支持實現(xiàn)異地互操作。 3） 并行工程的工具 ， 如 DFA， DFM（ Design For Assembly, Design For Manufacturing） 等并行工程是在信息集成的基礎(chǔ)上 ， 實現(xiàn)了過程的重構(gòu) 、 集成和優(yōu)化 。 一、計算機(jī)集成制造系統(tǒng)和現(xiàn)代集成制造系統(tǒng) 現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)實現(xiàn)技術(shù)內(nèi)涵的發(fā)展 過程集成 （ 并行工程 ） 并行工程的技術(shù)攻關(guān)是緊密結(jié)合航天工業(yè)復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)件的設(shè)計 、開發(fā)進(jìn)行的 。通過 2年多的攻關(guān) ， 取得了明顯的效益 。 使產(chǎn)