装备协同制造系统及其结构研究

[摘 要]本文首先论述了协同制造在大型装备制造业运用的可能性,然后介绍了协同制造的基本概念及其相对于传统制造的特点。最后分别对协同制造系统的概念和协同制造系统的构成进行了相关研究和介绍,装备协同制造系统由计算机系统和运行在计算机系统上的运行系统共同构成,一起完成协同制造的任务。

[关键词]装备 协同制造 协同制造系统

长期以来,装备工业生产的发展,由于受到体制、管理模式和技术落后等因素的制约,导致了生产线只具刚性不具柔性。这种产品品种单一的生产线,必然造成装备工业尤其是兵器工业经济发展的严重滞后。协同制造能够快速响应市场需求,能够整合利用各个生产实体的优势来完成整个项目目标的特点,给装备生产带来了新的契机,注入了新的活力。装备生产需要协同制造理论,协同制造系统也能够很好的适应装备生产的柔性化需求。

一、协同制造概述

协同制造是以Internet为基础,通过一种支持产品整个生命周期的、以客户和供应商早期介入为特征的协同工作模式,是将地理上呈分散状态的企业集团紧密联系在一起,共同协作完成产品的设计或制造的管理策略[1]。它是将分散状态的制造企业或集团内原本分散的制造资源集成起来,专注于自己最有效率和价值的业务,并同时与具有核心能力的企业联合,让他们提供自己并不擅长、却必不可少的关键业务,使制造模式打破了各种传统边界的束缚,充分利用各协作单元的制造优势,共同完成协同任务,提高敏捷性和竞争力。协同制造的主体是这些具有优势生产资源但地理位置分散的生产单元,目的是通过这些生产单元的共同努力来产生单个生产单元无法达到的效益,各生产单元组成一个协同制造系统,并且通过协同制造管理来进行稳定而高效的运作。

相较于传统的制造系统,协同制造有如下特点[2]:

(1)协同制造的重点在于如何充分调用各个分散的生产单元的制造资源,如何有效地将它们协同起来完成单个生产单元无法达到的更大的综合收益。

(2)协同制造应该具有较好的灵活性和开放性,当协同任务需要其他原本没有参加的生产单元的加入时,可以较容易的进行重组。当协同单元之间的网络结构和组织结构发生变化时,协同制造应该能很好的适应这种变化。

(3)协同制造的任务复杂,各个生产单元的时空跨越比较大。但协同制造对生产过程的整体性和连续性要求很高,因此,要求把不同的设备或子系统与生产过程连接成为一个整体。

(4)协同制造需要人和各种机器有效协作,是一个复杂的人机系统,功能与结构复杂、知识密集,专业化程度高、具有开放性,与人和环境的关系密切。

二、装备协同制造系统概述

装备协同制造系统是利用协同理论,将原本分散的各个装备生产企业、科研院所有效的协同起来,充分利用各个协作单元的各种优势资源,通过对生产过程的有效组织,包括生产准备、生产决策、生产计划、交货计划等,来高效的完成一项装备生产任务的许多自主生产实体的集合体。在装备协同制造系统中的基本单位是被称为协作单元的装备生产企业和科研院所,各协作单元的有效联系和优势资源整合是通过Internet网络技术和信息技术,协同制造系统中的各种冲突是通过装备协同制造系统的协调机制来解决的,协同制造系统的目标是通过这些协作单元的共同努力来完成单个自主生产实体无法达到的效益。

装备协同制造系统大系统中的许多小系统既相互作用,又相互制约。装备协同制造系统达到有利于生产高效进行的平衡结构或由原先不稳定的分散的旧结构转变为新结构时,都遵循一定的规律[3]。系统协同程度越高,输出的功能和效应就可能越大,系统的负效应就会越小,结果就越有价值。所以,在装备协同制造系统中,对各方的协同控制管理显得尤为重要。

协同制造系统需要对生产过程的多个方面进行控制管理,这样才能有效利用各个协作单元的优势资源,这些资源既可能是实体资源,也可能是知识资源这些隐性资源。这些控制管理一般包含以下四个方面[4]:

(一)协同制造系统中的生产准备管理

装备的生产是一个很复杂的过程,多数情况下不是一家企业来独立完成的,包括研发、试制、投产的这些过程需要众多企业的参与。在装备的具体制造过程中,由于原材料的特殊和来源渠道固定,生产准备过程是装备制造的基础环节。在进行具体生产准备的过程中,需要多个部门来共同完成。装备企业之间传统的串行性的准备方案,完全没有考虑上下游企业之间的联系,不能满足装备生产的柔性化要求。装备生产企业内部各个部门以及其它装备生产企业的相关部门只有通过协同的方式进行工作,才能保证生产准备的快速性、充分性和正确性。生产准备管理需要协同制造系统提供原材料需求计划,装备生产的工艺要求,协同的文档资料,生产过程的流程,以及时完成生产准备工作。

(二)协同制造系统中的加工制造管理

在装备的制造过程中,每个制造环节的协同都非常关键。需要做到以下几方面的工作:保证生产计划的如期完成,上下游零部件的按时交付,生产产品的高质量,生产过程中出现的问题的及时有效解决。协同制造系统实时收集和记录来自各个协同单元的数据,在装备的生产出现异常和变化时,通过优化的生产调度手段将任务分配给具有该环节制造优势的企业,保证装备制造任务的顺利完成。同时,作为装备协同制造系统中的一个协作单元,各个企业也需要实现执行过程透明化,使得其他协作单元或是下游生产企业能够及时了解生产订单的进度状态。

(三)协同制造系统中的过程控制管理

装备生产必须保证产品的高质量和准时交货,在必要的情况下要完成这两点,甚至可以不计成本。在高科技战争的要求下,装备的质量要求显得更为重要。过程控制管理,可以保证高质高产和不同批次产品质量的一致性。由于装备的生产过程具有复杂性和持续性的特点,通过信息共享使各个协作单元的制造过程透明化,大量生产数据及时地汇聚到协同制造系统中,提供给各个协作单元,各个协作单元不但可以了解实时的上下游生产情况,更可以对这些生产过程中的数据进行相关性分析,从物料、设备、人员、环境等多个角度找到影响装备生产中出现各种问题的原因,达到稳定的产品质量和更高的系统运行效率。

(四)协同制造系统中的信息管理

装备协同制造系统中存在的大量的信息资源,包括生产计划,生产订单的进度情况,各个协作单元的数据等。这些资源通过Internet为各个协作单元所了解和应用,是了解产品质量、成本以及其它要素的钥匙,为协同制造的顺利开展服务。通过数字化的信息共享机制,协同制造系统中的物流、计划、质量等环节都可以实时的掌握来自各个协作单元的信息,为提高装备的质量,及时完成交货计划,提高生产效率提供良好的基础。

三、装备协同制造系统的构成

装备协同制造系统可以分成两个大的组成部分:一是为系统提供各种支持的计算机系统,包括网络、服务器等解决方案;二是建立在计算机系统上的运行系统,包括计划系统,执行系统,决策系统,资源共享系统。系统上的协作单元在计算机系统和运行系统的支持下协作,最大程度的完成系统任务,产生综合效益。图1是装备协同制造系统的组成。

(一)計算机系统

计算机系统的运行模式如下:(1)各个协作单元通过Internet在计算机系统的网站上注册发布其所拥有的制造资源和制造进度情况等,计算机系统将资源信息封装并发布出来供给拥有权限的其他协作企业查看;(2)协作单元通过Internet在计算机系统的网站上了解制造任务,确定完成任务所需要的资源;(3)装备系统制造系统的盟主企业通过计算机系统对装备的制造任务进行分解、分配、调度,管理制造任务的执行状态,并协调制造过程的冲突;(4)盟主企业对协作单元的资源进行优选评估,将最佳的资源提供给下游企业,形成一条完美的制造执行任务链。如2是装备协同制造系统的计算机系统模型。

(二)运行系统

1.计划模块

由于装备协同制造系统中的协作单元实际上还是利益自主生产实体,盟主对协作单元的约束力和控制力不强,因此,装备协同制造系统不应采用盟主制定生产计划而协作单元被动接受的计划编制方式,应该采用盟主和协作单元共同协商制定的方式。根据装备协同制造的特点,我们将计划的编制分成三个层次:资源规划、初步规划、详细计划。资源规划是装备生产项目的盟主单位进行决策、任务分解和分配的过程,这样,保证项目每个阶段都有最适合的协作单元的参与;初步规划是盟主企业和各个协作单元进行协商、沟通,规定交货时间,优化制造过程,解决其中可能出现的冲突;详细计划是在初步规划的约束下,各个协作单元在计算机系统的支持下制定自己的生产计划。图5-3是装备协同制造的计划模块模型。

2.执行模块

在装备协同制造系统中,各种计划的执行必须协同,强调各个层次的协同。装备协同制造系统执行模块的基本思想是通过在协作单元执行各种管理功能,不同协作单元自有的系统通过Internet网络连接起来,实现信息的传递和共享,协作单元内部的管理人员通过装备协同制造系统完成协同。

执行模块具有开放的体系结构,在协作单元加入协同生产时,系统为其提供专门的接口,系统再将各种计划通过系统发布到网站上供协作单元查阅。项目分配、生产监控、物料跟踪、信息管理、冲突协调,直到装备的制造完成,执行模块提供了这些功能的实现,对企业的生产进行有机地协调[5]。

3.决策模块

采用改进信息系统和制造过程,着眼于产生更大的协作效应来分配和利用各个协作单元的资源,更快地响应市场变化,从而使得协同制造系统更加可靠稳定。

可以把装备协同制造系统中的决策模块分为三个层次:战略层决策、战术层决策和执行层决策[6]。战略层决策目的是确保整个协同制造系统的可靠稳定运行,其中包含了网络化制造系统的战略决策、协作关系决策、冲突协调决策、利益分配决策等决策问题。装备协同制造系统战术层的决策问题包括设计过程决策、制造过程决策和供应过程决策等。装备协同制造系统执行层的决策是战术决策问题的细化和具体化,通过协同执行、实施和动态优化,将战略层决策和战术层决策的目标落实和实现。图5-4是装备协同制造系统中的决策模块。

4.资源共享模块

装备协同制造系统资源共享就是在有效描述、集成和封裝各个协作单元制造资源的基础上,通过Internet使其被发现、获取[7]。协同制造资源共享的本质就是形成网络环境下的协同制造资源的有效整合应用。协同制造系统资源共享的最终目的是使用户在正确的时间、正确的地点及时得到需要的各种资源,并实现系统内所有资源的整体优化。如果要在分散的环境下,有效组织和调配具有自治性的不同协作单元所拥有的各类资源,实现资源共享的目的,必须具备良好的资源共享模块。图5-5表示的是协作单元的资源共享模型。

四、总结

本文依据装备生产的特点以及发展需求,论证了装备协同制造的可能性。然后从整个装备协同制造的特点出发,分析了构建装备协同制造系统的体系结构、功能模块,从而对构建装备协同制造系统给出了理论基础。在合理运用多方资源进行网络制造、协同制造,来完成某项任务的时候,本文期望通过装备协同制造系统的构建来对现实给与相关指导。

参考文献

[1]于海斌,朱石龙。协同制造e时代的制造策略与解决方案[M]北京:清华人学出版社2004

[2]胡仲翔,贾志成,陶俐言。协同制造系统的可靠性分析[J]装甲兵工程学院学报2007,(2):84-88

[3]胡仲翔,贾志成,赖利国。协同制造系统可靠性信息化及其策略[J]企业管理信息化2006,(9):29-32

[4]李亚白。面向服务的协同制造执行系统集成与重构技术研究[D]南京航空航天大学博士学位论文2007

[5]宋学艳等。构建支持网络化制造的协同制造执行系统[J]信息与控制2005,(8):466-469

[6]谢黎明,王保民。网络化制造系统中协同决策体系研究[J]机械设计与制造2006,(5):138-140

[7]吕琳。基于Multi-agent的协同制造资源共享的相关理论与技术研究[D]武汉理工大学博士学位论文2007

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