网络化设计与制造的实施策略阿尔山

网络化设计与制造的实施策略

网络化设计与制造的实施策略 2011： 产品设计与制造环境的根本性变化，导致了信息时代产品开发的新概念的形成：信息时代的产品设计与制造，以面向产品的全生命周期为特征，并行化(改传统的串行方式为并行方式)，集成化(信息的集成、资源的集成、技术的集成、人员的集成)，柔性化和敏捷化(快速响应客户的要求，表现为结构上的快速重组、性能上的快速响应)，从而最终实现高度的自动化。 而传统的组织结构相对固定、资源相对集中、以区域性经济为主导、以面向产品为特征的产品设计与制造模式，已与之不相适应，迫切需要建立一种市场需求驱动的、具有快速响应机制的产品设计与制造新模式——网络化设计与制造。1 基于网络的异地合作设计模式现代设计不同于传统的设计，是由于市场竞争和技术进步形势的变化，它比过去任何时候都更加依赖于新知识的获取，而不是经验。设计知识的获取能力是一种综合实力，包括经营管理水平、技术水平、资本实力、人才实力、先进设备和过去经验。它们的总和，可以看成是设计知识获取的资源。发达国家的企业多以研究开发(R&D)中心的组织形式来发展这种资源。我国企业由于各方面的原因，要在内部发展这种资源，无论是资金投入、人才集聚、设备供应，还是经验积累，在短时期内都是很困难的。但另一方面，我国也确实存在相当一批可以支持产品开发中设计知识获取的资源。这些资源大多存在于科研院所、大专院校和重点实验室等机构中。为将这种分布式的设计知识资源充分利用起来，即把地域上分散的、力量相对薄弱的研究开发力量在短时期内整合成为力量强大、水平较高的研究开发团队，以在较短的时间内完成特定项目的设计任务，一种基于网络的异地合作设计模式——虚拟研究开发中心(Virtual R&D)的组建就显得非常必要。 虚拟研究开发中心最主要的特点是资源共享，包括知识资源和人力资源。在中心内部各个成员单位的信息资源是共享的，人才资源则可以随着项目开发的需要而重组。所有资源的利用都是基于信息高速公路即网络，而不同于传统意义上的协同开发。虚拟研究开发中心是概念意义上的组织形式，它并不打破原有的组织管理形式，而是根据项目需要建立的一种动态联盟。 图1 虚拟研究开发中心的体系结构 图1给出了虚拟研究开发中心的系统结构框图。虚拟研究开发中心主要包括3个系统，即信息系统、管理系统和技术支持系统。管理系统负责项目设计的组织和中心对外联络，是中心的组织者、协调者和管理者：信息系统主要管理相关领域设计知识的收集和成员单位之间设计信息的共享协调：技术支持系统由若干项目组组成，项目组则是由来自各个成员单位的设计者组成的一个项目开发小组，在地域上他们是分散的，联结他们的则是某一设计任务，他们通过网络上的Web浏览器、音频、视频、公用chat区和白板进行实时信息的讨论和交流，各设计者可以同时设计不同部分，然后将文件存储在数据库系统中，从服务器中恢复文件后，进行产品的可制造性评价(DFM)、可装配性分析(DFA)，不同的设计者还可完成不同部分的修改。由于各个成员单位在同一设计领域的不同方向具有优势，因此他们就可以取长补短，发挥出整体优势，在短时期内将各自的优势集成到某一项目中，从而使该项目的设计水平达到甚至超过国际同类产品水平。2 基于Agent的网络化制造模式现代制造的基本特征是智能和快速，智能是指首先利用人的智能、知识、经验和包括技艺在内的能力，同时也利用人工智能：快速是对顾客驱动的市场的响应灵活而快捷。其模式有远程制造、敏捷制造、网络化制造等。网络化制造系统通过网络将分散在各地企业的制造资源连接起来，实现制造资源的有效利用和共享，并随着市场需求的变化，快速组建与撤消、快速进入与退出市场。这就要求采用新的有效的组织形态与运行决策机制，能通过简单的控制规则来实现制造系统的动态重组与运行控制，为解决这个难题，一种基于分布式异质Agent协同求解的网络化制造系统模式产生了：它是以个体的自律性与整体的自组织为基本特征的分布式智能化系统模式。众多具有自律行为能力的独立的制造个体Agent通过简单的控制规则相互作用，形成系统整体的自组织、自适应与自进化行为能力，从而实现制造系统的快速重组与行为控制。 图2 基于Agent网络化制造环境 在制造环境中，一个Agent所代表的功能实体可以是一个制造企业、一个制造车间、一台制造设备或一套软件系统等。按照各功能实体完成自身任务的方式，可以将其分为三类：自动系统(如数控设备)、人机系统(如CAD系统)和制造中的人或组织。相应地，可以用三种不同功能与结构的Agent作为其代理，即自动系统Agent、人机系统Agent和自然Agent。制造环境中的各Agent通过计算机网络连接起来，构成基于Agent分布式网络化制造环境，见图2。如果各Agent所代表的功能实体是独立的制造企业，则形成一种企业联盟网络环境，实现企业之间的集成：如果各Agent所代表的功能实体是企业内部的功能子系统，则形成企业内部网络环境，实现企业内部的集成。当某一功能实体Agent接受到产品制造信息(如产品设计后生成的NC 代码)，它将根据产品的特点选择制造模式，然后迅速地从其它功能实体中挑选出适当的合作伙伴协作完成。美国通用电器研究与开发部的“计算机辅助制造网络(Computer Aided Manufacturing Network)”就是利用这个原理使得集成企业的成员能够快速连接和共享制造信息。 此外，柔性制造系统(FMS)、计算机集成制造系统(CIMS)、机器人系统被广泛应用于网络化制造业。在CAD/CAM/CAPP/CAX集成的网络服务系统中，用户输入产品信息，系统可生成完整的CAD/CAM/CAPP/CAX文件来控制远程的制造设备完成加工过程，系统使用网页在用户和网络服务系统间建立界面，使用户通过Internet 操作远程制造设备。 图3 产品生命周期的内容 3 基于网络、面向产品全生命周期的虚拟产品开发技术产品生命周期包含的阶段和内容见图3。这是一个由市场到市场的循环过程，包括产品开发阶段、产品制造阶段、产品销售阶段、产品使用阶段和产品回收阶段。面向产品生命周期的设计，即在设计一开始，就充分考虑设计下游有可能涉及的影响因素，尽量避免在某一设计阶段完成后才意识到因工艺、制造等因素的制造造成该阶段甚至整个设计方案的更改。这就要求有一种能保证各部门适时通讯的并行工作环境。 为了在产品开发阶段全面考虑产品生命周期各阶段的要求，出现了对设计方案进行快速评价的CAE系统和DFX系统。比较实用的相关技术集中体现在DFX方面，包括面向性能设计(DFP)、面向装配设计(DFA)、面向制造设计(DFM)、面向测试设计(DFT)、面向质量设计(DFQ)、面向成本设计(DFC)、面向服务和维修设计(DFS)等。如何将这些技术实时、动态地规划在一？另外，在产品开发过程中，还有一个重要的环节，就是样品试验阶段，这是一个既费钱又费时的阶段。为了最大限度地缩短产品开发时间，有无可能用数字化试验模型(digital mock-up)取代实物试验模型(physical mock-up)。还有，可否使客户直接参与产品开发，包括身临其境地测试产品性能和真实感受产品的使用性能。 为了解决上述问题，一种基于网络技术和虚拟现实技术的设计模式——虚拟产品开发技术应运而生。虚拟产品开发技术主要包括虚拟设计和虚拟制造两方面。虚拟产品即存储在计算机内部的产品数据模型。产品建模、数据共享和过程仿真是虚拟产品开发技术的基础。为了对虚拟产品的设计、加工、装配、使用性能等进行建模，必须要求完整可靠的产品描述，不仅包括产品定义数据本身，还包括产品生命周期内所有相应的环境的描述，以及产品和环境相互作用规律的描述，以及产品和环境相互作用规律的描述。然后依靠仿真技术模拟产品的分析、加工、装配过程，使整个产品在计算机中造出来，再对仿真结果进行测量、分析，以确定产品是否满足市场需求、是否可以真正生产。在整个产品开发过程中，利用虚拟现实技术的交互性(interaction)、沉浸性(immersion)和想象性(imagination)达到模拟产品开发环境的高度逼真化，并使人可以对虚拟原型直接进行交互操作，产生身临其境的感觉。而其中所有数据和其它信息通过网络实行共享。目前虚拟产品开发技术在波音777和欧洲空中客车公司得到应用，从而使产品的开发周期分别由8年、4年减少至5年和2.5年。4 基于Agent的合作伙伴的选择机理面对某一市场机遇，如何在企业联盟网络中快速选择合适的合作伙伴。在网络化设计与制造系统中，合作伙伴的选择工作是由智能Agent完成的。企业联盟网络中的合作伙伴有以下几种类型：设计伙伴、制造伙伴和供应商。下面就以设计伙伴的选择为例来剖析基于Agent的合作伙伴的选择机理。 图4 智能Agent的总体结构 智能Agent的总体结构如图4所示。它依据内部功能的不同可以分成4个层次：通讯层、协同控制层、自定义层与表现层。其中通讯层由通讯管理器组成，协同控制层由协议推理机与协同知识库组成，自定义层由认知推理机与能力知识库组成，而表现层由Agent的多媒体信息表现接口来表现。这样一个智能Agent在选择合作伙伴时的内部行为表现为：通讯管理器接受外部环境信息(来自市场的信息和要求)，由推理控制机(包括协议推理机和认知推理机)根据这些消息和要求，进行分析、理解、推理后，迅速地从企业联盟联络中挑选出合适的合作伙伴。 下面用数学模型来描述智能Agent在选择合作伙伴时的推理控制算法。 假设某智能Agent正在寻求具有设计能力的企业，设Q1，Q2，…，Qm是m个可供选择的企业，Y1，Y2，…，Yn是n个影响因素(如人才、设备、技术、费用和信誉等)。首先，要确定每个影响因素的相对重要性，也就是由推理控制机求出每个影响因素的权数，在此假设为w1，w2，…，wn，其中wi是Yi的权数，w1+w2+…+wn=1。接着，由推理控制机对每一个侯选企业按每一个影响因素进行评估，然后，求出每个候选企业在每一个影响因素下的权数，如表1所示。 表1 候选企业在每个影响因素下的权数 影响因素 Y1 Y2 … Yn Q1 w11 w21 … wn1 Q2 w12 w22 … wn2 … Qn w1m w2m … wnm 最后，由每个候选企业在每个影响因素下的权乘以该影响因素的权数并相加，其和S就是该企业总评估分数，即S = w1i·w1+w2i·w2+…+ wni·wn，i = 1，2，…，m得分最高者即为获选企业。 问题的关键是如何求出每个影响因素的权数，以及每个候选企业在每个影响因素下的权数。在推理控制机中，根据美国运筹学家Satty提出的层次分析法并运用三角模糊数可对上述问题进行求解。从而最终完成设计伙伴的选择

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