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探究中国制造业信息化的内涵与发展

—— 中国工程院李伯虎院士专访

2010年4月12日     作者:e-works黄培  王阳       
关键字:制造业信息化  COSIM平台  云制造  
2010年3月11日,e-works总编黄培与记者王阳在北京采访了中国工程院李伯虎院士。李院士是我国计算机仿真与计算机集成制造技术领域的著名专家,曾任国家863/CIMS专家组组长,总装备部科技委仿真专业组组长等职,现任航天科工集团信息化专家组长,中国系统仿真学会理事长等职,长期致力于我国制造业信息化研究与应用工作。在向李院士请教一些制造业信息化关键问题的过程中,李院士深入阐释了我国制造业信息化的内涵与发展趋势,并提出了我国制造业信息化技术发展中值得关注的几项重要技术。

    2010年3月11日,e-works总编黄培与记者王阳在北京采访了中国工程院李伯虎院士。李院士是我国计算机仿真与计算机集成制造技术领域的著名专家,曾任国家863/CIMS专家组组长,总装备部科技委仿真专业组组长等职,现任航天科工集团信息化专家组长,中国系统仿真学会理事长等职,长期致力于我国制造业信息化研究与应用工作。在向李院士请教一些制造业信息化关键问题的过程中,李院士深入阐释了我国制造业信息化的内涵与发展趋势,并提出了我国制造业信息化技术发展中值得关注的几项重要技术。

 

中国工程院院士李伯虎

中国工程院李伯虎院士

一、制造业信息化的内涵

李院士指出,制造业信息化是一项复杂的系统工程。我国制造业信息化的指导思想是与时俱进的。从十六大提出的“信息化带动工业化”到十七大提出的“工业化和信息化两化融合”。目前,制造业信息化已成为我国实现新型工业化道路的重要组成部分。

制造业信息化的技术手段是以信息(采集、传递、加工、处理、应用)技术为核心,将信息技术、建模与仿真技术、现代管理技术、设计与生产技术、系统工程技术及产品有关的专业技术综合运用于产品研制的全系统、全生命周期过程中。

制造业信息化的工作内容与对策途径是通过实施企业(或集团)产品全生命周期活动中的设计/生产/管理/试验领域及其集成的全企业(或集团)信息化,使企业(或集团)产品研制全系统、全生命周期活动中的人/组织、经营管理、技术(三要素)及信息流、物流、价值流、知识流(四流)集成优化,进而改善企业(或集团)产品(P) 及其开发时间(T)、质量(Q)、成本(C)、服务(S)、环境清洁(E)和知识含量(K)。

制造业信息化的目标是提高企业(或集团)的敏捷性、柔性及健壮性,以达到增强企业(或集团)的市场竞争能力,为企业(或集团)实现跨越式发展作出重要贡献。

 

二、制造业信息化技术的发展趋势

李院士介绍,制造业信息化技术的发展趋势可概括为:“集成化、数字化、智能化、敏捷化、网络化、绿色化和服务化”。

·集成化:内容从信息集成、功能集成发展到知识集成;活动从单阶段(设计、生产、管理、试验)发展到的各阶段间过程集成(以并行工程为代表);空间范围从企业内部向企业间集成发展(以敏捷制造、并行企业等为代表)。

·数字化:基于全生命周期中产品及其制造活动数字化建模和仿真技术的虚拟(大)制造工程正将制造业带入全新的数字化时代。

·智能化:智能化是制造系统采用智能技术在柔性化和集成化基础上进一步的发展与延伸,已从制造设备和单元加工过程智能化、工作站控制智能化发展到集成化智能制造全系统和知识化的制造活动。

·敏捷化:制造敏捷化是指制造企业通过组织动态联盟、重组其企业过程以及在更广泛范围内集成与优化制造资源,以对不断变化的市场需求做出快速响应。

·网络化:随着“网络全球化”、“市场全球化”、“竞争全球化”、“经营全球化”的出现,许多企业正积极采用“全球制造”和“网络制造”的策略。制造网络化体现在信息高速公路和物联网集成基础设施支持下的网络化协同制造。

·绿色化:绿色制造、环境意识的设计与制造、生态工厂、清洁化生产等概念是全球可持续发展战略在制造业中的体现。绿色制造是一种综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式。

·服务化:随着制造业的成熟和消费者需求的升级,全球经济逐渐由产品经济向服务经济转变,把握全球制造业从以产品制造为主向与制造服务化互相融合的趋势是获得竞争优势的战略选择。

李院士指出,我国制造业信息化要完全突破和实现这些技术,还有很长的路要走。只有在总体发展战略和系统发展模式指导下,通过需求牵引、竞争驱动、系统发展、信息带动、升级跨越,才能最终实现制造业的信息化、工业化,从而提升我国制造企业的国际竞争力。

 

三、复杂产品集成制造技术概览

李院士认为,复杂产品制造业是国民经济和国家安全的重要基础,它的竞争将直接关系到国力的兴衰。“复杂产品集成制造系统技术”正是为适应这种竞争背景,在相关新技术推动下提出并发展中的一门新兴技术,我们要给予足够的重视。

“复杂产品集成制造系统”是复杂产品制造信息化的重要技术,其中,“复杂产品”定义为“客户需求复杂、产品组成复杂、产品技术复杂、制造流程复杂、试验维护复杂、项目管理复杂、工作环境复杂的一类产品”,如航天器、飞机、汽车、船舶、复杂机电产品等。

李院士强调:这里所谓的“制造”是“大制造”,它包括产品从规划到报废全生命周期的全部活动(时间轴拓展)。这些活动不仅局限在企业内部,往往涉及多个企业之间,甚至可扩展到全球化企业动态联盟(空间轴拓展)。

从几十年的实践来看,“集成制造系统”(包括“现代集成制造系统”与“复杂产品集成制造系统”)是实现复杂产品制造业信息化的一种有效手段,其中,“复杂产品集成制造系统技术体系”是对863计划提出的“现代集成制造系统技术体系”的进一步拓展。

李院士介绍了复杂产品集成制造系统的体系结构技术体系

·体系结构:

复杂产品集成制造系统是一个复杂的系统,应当采用系统的观点,从经营理念、运行模式和全生命周期的制造要素与活动等多个方面综合分析、研究。复杂产品集成制造系统由复杂产品项目主管企业、协作企业、供应商和客户的各“企业集成制造系统(EIMS)”的集群组成。其中,一个完善的单个企业集成制造系统由四个应用分系统(多学科虚拟样机设计分系统、生产自动化分系统、试验分系统、经营决策与管理分系统)和一个支撑分系统(集成支撑平台)组成。具体的企业将按需组成各自的企业集成制造系统。

·技术体系:

·总体技术:包括系统总体运营模式(如并行工程/企业、精益生产、基于仿真的采办、敏捷制造和我国的现代集成制造系统等);系统集成方法论;系统集成技术;标准化技术;企业建模和仿真技术及系统开发与实施等技术。

·产品设计技术:包括CAX/DFX技术,如CAD、CAE、DFA(面向装配的设计)、DFM(面向制造的设计)等技术、SBD(基于仿真的设计)、多学科虚拟样机设计、逆向工程、绿色设计、网络设计、智能设计及面向大规模定制生产模式的设计等技术。

·经营管理与决策系统技术:包括项目管理、MIS、OA、MRPⅡ(制造资源规划)、SCM(供应链管理)、CRM(客户关系管理)、ERP(企业资源规划)、DEM(动态企业建模)、复杂产品质量管理及电子商务等技术。

·试验技术:包括单件例行试验;整机组件试验;系统综合/匹配试验;靶场合练/飞行试验技术等。

·加工生产与装备技术:包括数控机床、数控加工中心、工业机器人、FMC(柔性制造单元)、FMS(柔性制造系统)、VM(虚拟制造)、可重组机器/装备、MES(制造执行系统)及RPM(快速成形制造)等技术。

·系统支撑环境技术:包括网络、数据库、集成平台/框架,计算机辅助软件工程,PLM (产品全生命周期管理),计算机支持协同工作,人/机接口、网格和云制造平台等技术。

李院士认为,其中有特色的技术研究有:系统总体运营模式,复杂产品虚拟样机工程,虚拟试验技术,复杂产品制造执行系统,复杂产品项目管理与电子商务技术,复杂产品集成质量管理技术,基于多层次、异构PLM的集成系统平台技术,制造网格技术及云制造技术等。不容置疑,在复杂产品集成制造系统的研究中要十分重视与迅速发展中信息技术融合。与此同时,由于复杂产品集成制造系统的实施是一项系统工程,因此,加强与系统工程理念、方法、技术、工具的融合定会有力推进集成制造系统的研究、开发与应用。

图1. 复杂产品虚拟样机工程技术

 

四、复杂产品虚拟样机工程研发平台的研发与应用实践

在复杂产品集成制造领域,李院士重点提到了复杂产品虚拟样机工程技术,并介绍了他领导开发的支撑平台——COSIM平台。李院士指出,复杂产品的虚拟样机开发已涉及到产品全生命周期中相关的人员/组织、管理和技术的集成与优化,已构成为复杂的系统工程——“复杂产品虚拟样机工程”。它对传统产品开发方法、技术、工具等方面的研究、开发与应用提出了一系列新的挑战。复杂产品虚拟样机工程技术如图1所示。

COSIM平台是基于并行工程开发理念,综合运用现代管理技术、先进设计/制造技术、先进仿真技术、多学科优化等技术,将管理、技术、人三者之间进行有机集成的一体化、部分智能化的支持复杂产品虚拟样机工程全生命周期开发的软件套件。其体系结构如图2.

图2. 复杂产品虚拟样机工程支撑平台COSIM体系结构

COSIM平台支持:复杂产品的协同开发模式;复杂产品科研项目全生命周期综合管理;复杂产品的前期论证与概念设计和后期效能评估与训练;复杂产品多学科虚拟样机设计及其综合优化;复杂产品综合试验与数字化验证;基于知识的多学科团队异地、协同创新设计;各类企业科研资源的共享与大协作。

COSIM平台在航天二院和北京仿真中心的推动下,已在航天、航空、船舶、兵器等行业的多个复杂产品的概念设计、论证与效能评估,工程设计研制,装备信息化中得到了成功的应用和验证。

李院士介绍,作为支撑复杂产品虚拟样机工程的平台,COSIM主要解决了七类关键技术,包括:

·复杂产品虚拟样机工程支撑平台体系结构;

·多学科虚拟样机高层建模优化技术;

·多学科模型(服务)组合与协同仿真技术;

·多学科协同优化方法;

·试验数据采集、管理与智能分析评估方法;

·复杂产品虚拟样机工程全生命周期管理技术;

·复杂产品虚拟样机工程应用技术。

另外,随着计算机网络技术的发展,COSIM已发展成可结合“云计算理念”和“网格技术”的复杂产品虚拟样机协同仿真平台,这一突破对我国复杂产品制造业未来的发展有着深远的意义。

 

五、值得关注的制造新模式与技术——“云制造”

李院士认为,迅速发展中的物联网、高性能计算、云制造、云仿真等技术,将给我国制造业信息化工程提供更好的技术支撑。

在这些技术中,李院士提及最多的、与制造业信息化关联也最为密切的是云制造技术。他说:“一方面,日益成熟的云计算技术为解决当前网络化制造存在的资源服务模式、资源共享与配置问题提供了新的思路和契机,也给将来的云制造提供了推动力;另一方面,云制造作为一种利用网络的服务平台,按用户需求组织网上制造资源(制造云),为用户提供各类按需制造服务的一种面向服务的网络化制造新模式。”

“云制造技术”将现有网络化制造与服务技术与云计算、云安全、高性能计算、物联网等技术融合,以实现各类制造资源(制造硬设备、计算系统、软件、模型、数据、知识等)统一的、集中的智能化管理和经营,为制造全生命周期过程提供可随时获取的、按需使用的、安全可靠的、优质廉价的各类制造活动服务。

在李院士构建的我国制造业信息化全景图中,云制造将成为制造业信息化领域值得关注的制造新模式与技术(可参见李院士等的近期文章:“云制造——面向服务的网络化制造新模式”,计算机集成制造系统,Vol.16.No.1,2010)。他认为,云制造技术的研究与应用将会加速推进制造业信息化向“网络化、智能化、服务化”方向发展,从而将制造业信息化提高到又一个新的高度和水平。

李伯虎院士和黄培博士合影

李伯虎院士和黄培博士合影

后记:

见到李院士依然精神矍铄,十分高兴。在交谈中李院士还认为,我国制造业信息化所涉及的技术、应用都在快速发展,但我国有关制造业信息化的产业相比国外领先水平尚有较大差距,这已直接影响着我国制造业信息化技术研发与应用在广度和深度上的进一步发展,急需我们更加努力地探索与实践。

李院士对e-works搭建中国制造业信息化第三方平台所做的工作给予了充分肯定和鼓励,使我们感受到肩负的责任重大。诚如李院士所说,我国制造业信息化的道路“前景美好,任重道远”!

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