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網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計與制造的實施策略

時間:2011-05-20 08:43:52 來源:未知
 
產(chǎn)品設(shè)計與制造環(huán)境的根本性變化，導(dǎo)致了信息時代產(chǎn)品開發(fā)的新概念的形成：信息時代的產(chǎn)品設(shè)計與制造，以面向產(chǎn)品的全生命周期為特征，并行化(改傳統(tǒng)的串行方式為并行方式)，集成化(信息的集成、資源的集成、技術(shù)的集成、人員的集成)，柔性化和敏捷化(快速響應(yīng)客戶的要求，表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)上的快速重組、性能上的快速響應(yīng))，從而最終實現(xiàn)高度的自動化。
而傳統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)相對固定、資源相對集中、以區(qū)域性經(jīng)濟(jì)為主導(dǎo)、以面向產(chǎn)品為特征的產(chǎn)品設(shè)計與制造模式，已與之不相適應(yīng)，迫切需要建立一種市場需求驅(qū)動的、具有快速響應(yīng)機(jī)制的產(chǎn)品設(shè)計與制造新模式——網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計與制造。

1 基于網(wǎng)絡(luò)的異地合作設(shè)計模式

現(xiàn)代設(shè)計不同于傳統(tǒng)的設(shè)計，是由于市場競爭和技術(shù)進(jìn)步形勢的變化，它比過去任何時候都更加依賴于新知識的獲取，而不是經(jīng)驗。設(shè)計知識的獲取能力是一種綜合實力，包括經(jīng)營管理水平、技術(shù)水平、資本實力、人才實力、先進(jìn)設(shè)備和過去經(jīng)驗。它們的總和，可以看成是設(shè)計知識獲取的資源。發(fā)達(dá)國家的企業(yè)多以研究開發(fā)(R&D)中心的組織形式來發(fā)展這種資源。我國企業(yè)由于各方面的原因，要在內(nèi)部發(fā)展這種資源，無論是資金投入、人才集聚、設(shè)備供應(yīng)，還是經(jīng)驗積累，在短時期內(nèi)都是很困難的。但另一方面，我國也確實存在相當(dāng)一批可以支持產(chǎn)品開發(fā)中設(shè)計知識獲取的資源。這些資源大多存在于科研院所、大專院校和重點實驗室等機(jī)構(gòu)中。為將這種分布式的設(shè)計知識資源充分利用起來，即把地域上分散的、力量相對薄弱的研究開發(fā)力量在短時期內(nèi)整合成為力量強(qiáng)大、水平較高的研究開發(fā)團(tuán)隊，以在較短的時間內(nèi)完成特定項目的設(shè)計任務(wù)，一種基于網(wǎng)絡(luò)的異地合作設(shè)計模式——虛擬研究開發(fā)中心(Virtual R&D)的組建就顯得非常必要。
虛擬研究開發(fā)中心最主要的特點是資源共享，包括知識資源和人力資源。在中心內(nèi)部各個成員單位的信息資源是共享的，人才資源則可以隨著項目開發(fā)的需要而重組。所有資源的利用都是基于信息高速公路即網(wǎng)絡(luò)，而不同于傳統(tǒng)意義上的協(xié)同開發(fā)。虛擬研究開發(fā)中心是概念意義上的組織形式，它并不打破原有的組織管理形式，而是根據(jù)項目需要建立的一種動態(tài)聯(lián)盟。
 
圖1 虛擬研究開發(fā)中心的體系結(jié)構(gòu)
圖1給出了虛擬研究開發(fā)中心的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。虛擬研究開發(fā)中心主要包括3個系統(tǒng)，即信息系統(tǒng)、管理系統(tǒng)和技術(shù)支持系統(tǒng)。管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)項目設(shè)計的組織和中心對外聯(lián)絡(luò)，是中心的組織者、協(xié)調(diào)者和管理者：信息系統(tǒng)主要管理相關(guān)領(lǐng)域設(shè)計知識的收集和成員單位之間設(shè)計信息的共享協(xié)調(diào)：技術(shù)支持系統(tǒng)由若干項目組組成，項目組則是由來自各個成員單位的設(shè)計者組成的一個項目開發(fā)小組，在地域上他們是分散的，聯(lián)結(jié)他們的則是某一設(shè)計任務(wù)，他們通過網(wǎng)絡(luò)上的Web瀏覽器、音頻、視頻、公用chat區(qū)和白板進(jìn)行實時信息的討論和交流，各設(shè)計者可以同時設(shè)計不同部分，然后將文件存儲在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，從服務(wù)器中恢復(fù)文件后，進(jìn)行產(chǎn)品的可制造性評價(DFM)、可裝配性分析(DFA)，不同的設(shè)計者還可完成不同部分的修改。由于各個成員單位在同一設(shè)計領(lǐng)域的不同方向具有優(yōu)勢，因此他們就可以取長補(bǔ)短，發(fā)揮出整體優(yōu)勢，在短時期內(nèi)將各自的優(yōu)勢集成到某一項目中，從而使該項目的設(shè)計水平達(dá)到甚至超過國際同類產(chǎn)品水平。

2 基于Agent的網(wǎng)絡(luò)化制造模式

現(xiàn)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、知識、經(jīng)驗和包括技藝在內(nèi)的能力，同時也利用人工智能：快速是對顧客驅(qū)動的市場的響應(yīng)靈活而快捷。其模式有遠(yuǎn)程制造、敏捷制造、網(wǎng)絡(luò)化制造等。網(wǎng)絡(luò)化制造系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)將分散在各地企業(yè)的制造資源連接起來，實現(xiàn)制造資源的有效利用和共享，并隨著市場需求的變化，快速組建與撤消、快速進(jìn)入與退出市場。這就要求采用新的有效的組織形態(tài)與運行決策機(jī)制，能通過簡單的控制規(guī)則來實現(xiàn)制造系統(tǒng)的動態(tài)重組與運行控制，為解決這個難題，一種基于分布式異質(zhì)Agent協(xié)同求解的網(wǎng)絡(luò)化制造系統(tǒng)模式產(chǎn)生了：它是以個體的自律性與整體的自組織為基本特征的分布式智能化系統(tǒng)模式。眾多具有自律行為能力的獨立的制造個體Agent通過簡單的控制規(guī)則相互作用，形成系統(tǒng)整體的自組織、自適應(yīng)與自進(jìn)化行為能力，從而實現(xiàn)制造系統(tǒng)的快速重組與行為控制。#p#分頁標(biāo)題#e#
 
圖2 基于Agent網(wǎng)絡(luò)化制造環(huán)境
在制造環(huán)境中，一個Agent所代表的功能實體可以是一個制造企業(yè)、一個制造車間、一臺制造設(shè)備或一套軟件系統(tǒng)等。按照各功能實體完成自身任務(wù)的方式，可以將其分為三類：自動系統(tǒng)(如數(shù)控設(shè)備)、人機(jī)系統(tǒng)(如CAD系統(tǒng))和制造中的人或組織。相應(yīng)地，可以用三種不同功能與結(jié)構(gòu)的Agent作為其代理，即自動系統(tǒng)Agent、人機(jī)系統(tǒng)Agent和自然Agent。制造環(huán)境中的各Agent通過計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接起來，構(gòu)成基于Agent分布式網(wǎng)絡(luò)化制造環(huán)境，見圖2。如果各Agent所代表的功能實體是獨立的制造企業(yè)，則形成一種企業(yè)聯(lián)盟網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，實現(xiàn)企業(yè)之間的集成：如果各Agent所代表的功能實體是企業(yè)內(nèi)部的功能子系統(tǒng)，則形成企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部的集成。當(dāng)某一功能實體Agent接受到產(chǎn)品制造信息(如產(chǎn)品設(shè)計后生成的NC 代碼)，它將根據(jù)產(chǎn)品的特點選擇制造模式，然后迅速地從其它功能實體中挑選出適當(dāng)?shù)暮献骰锇閰f(xié)作完成。美國通用電器研究與開發(fā)部的“計算機(jī)輔助制造網(wǎng)絡(luò)(Computer Aided Manufacturing Network)”就是利用這個原理使得集成企業(yè)的成員能夠快速連接和共享制造信息。
此外，柔性制造系統(tǒng)(FMS)、計算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)、機(jī)器人系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)化制造業(yè)。在CAD/CAM/CAPP/CAX集成的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)中，用戶輸入產(chǎn)品信息，系統(tǒng)可生成完整的CAD/CAM/CAPP/CAX文件來控制遠(yuǎn)程的制造設(shè)備完成加工過程，系統(tǒng)使用網(wǎng)頁在用戶和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)間建立界面，使用戶通過Internet 操作遠(yuǎn)程制造設(shè)備。
 
圖3 產(chǎn)品生命周期的內(nèi)容

3 基于網(wǎng)絡(luò)、面向產(chǎn)品全生命周期的虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)

產(chǎn)品生命周期包含的階段和內(nèi)容見圖3。這是一個由市場到市場的循環(huán)過程，包括產(chǎn)品開發(fā)階段、產(chǎn)品制造階段、產(chǎn)品銷售階段、產(chǎn)品使用階段和產(chǎn)品回收階段。面向產(chǎn)品生命周期的設(shè)計，即在設(shè)計一開始，就充分考慮設(shè)計下游有可能涉及的影響因素，盡量避免在某一設(shè)計階段完成后才意識到因工藝、制造等因素的制造造成該階段甚至整個設(shè)計方案的更改。這就要求有一種能保證各部門適時通訊的并行工作環(huán)境。
為了在產(chǎn)品開發(fā)階段全面考慮產(chǎn)品生命周期各階段的要求，出現(xiàn)了對設(shè)計方案進(jìn)行快速評價的CAE系統(tǒng)和DFX系統(tǒng)。比較實用的相關(guān)技術(shù)集中體現(xiàn)在DFX方面，包括面向性能設(shè)計(DFP)、面向裝配設(shè)計(DFA)、面向制造設(shè)計(DFM)、面向測試設(shè)計(DFT)、面向質(zhì)量設(shè)計(DFQ)、面向成本設(shè)計(DFC)、面向服務(wù)和維修設(shè)計(DFS)等。如何將這些技術(shù)實時、動態(tài)地規(guī)劃在一？另外，在產(chǎn)品開發(fā)過程中，還有一個重要的環(huán)節(jié)，就是樣品試驗階段，這是一個既費錢又費時的階段。為了最大限度地縮短產(chǎn)品開發(fā)時間，有無可能用數(shù)字化試驗?zāi)Ｐ?digital mock-up)取代實物試驗?zāi)Ｐ?physical mock-up)。還有，可否使客戶直接參與產(chǎn)品開發(fā)，包括身臨其境地測試產(chǎn)品性能和真實感受產(chǎn)品的使用性能。
為了解決上述問題，一種基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的設(shè)計模式——虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)應(yīng)運而生。虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)主要包括虛擬設(shè)計和虛擬制造兩方面。虛擬產(chǎn)品即存儲在計算機(jī)內(nèi)部的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型。產(chǎn)品建模、數(shù)據(jù)共享和過程仿真是虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)的基礎(chǔ)。為了對虛擬產(chǎn)品的設(shè)計、加工、裝配、使用性能等進(jìn)行建模，必須要求完整可靠的產(chǎn)品描述，不僅包括產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)本身，還包括產(chǎn)品生命周期內(nèi)所有相應(yīng)的環(huán)境的描述，以及產(chǎn)品和環(huán)境相互作用規(guī)律的描述，以及產(chǎn)品和環(huán)境相互作用規(guī)律的描述。然后依靠仿真技術(shù)模擬產(chǎn)品的分析、加工、裝配過程，使整個產(chǎn)品在計算機(jī)中造出來，再對仿真結(jié)果進(jìn)行測量、分析，以確定產(chǎn)品是否滿足市場需求、是否可以真正生產(chǎn)。在整個產(chǎn)品開發(fā)過程中，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的交互性(interaction)、沉浸性(immersion)和想象性(imagination)達(dá)到模擬產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境的高度逼真化，并使人可以對虛擬原型直接進(jìn)行交互操作，產(chǎn)生身臨其境的感覺。而其中所有數(shù)據(jù)和其它信息通過網(wǎng)絡(luò)實行共享。目前虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)在波音777和歐洲空中客車公司得到應(yīng)用，從而使產(chǎn)品的開發(fā)周期分別由8年、4年減少至5年和2.5年。 #p#分頁標(biāo)題#e#

4 基于Agent的合作伙伴的選擇機(jī)理

面對某一市場機(jī)遇，如何在企業(yè)聯(lián)盟網(wǎng)絡(luò)中快速選擇合適的合作伙伴。在網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計與制造系統(tǒng)中，合作伙伴的選擇工作是由智能Agent完成的。企業(yè)聯(lián)盟網(wǎng)絡(luò)中的合作伙伴有以下幾種類型：設(shè)計伙伴、制造伙伴和供應(yīng)商。下面就以設(shè)計伙伴的選擇為例來剖析基于Agent的合作伙伴的選擇機(jī)理。
 
圖4 智能Agent的總體結(jié)構(gòu)
智能Agent的總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。它依據(jù)內(nèi)部功能的不同可以分成4個層次：通訊層、協(xié)同控制層、自定義層與表現(xiàn)層。其中通訊層由通訊管理器組成，協(xié)同控制層由協(xié)議推理機(jī)與協(xié)同知識庫組成，自定義層由認(rèn)知推理機(jī)與能力知識庫組成，而表現(xiàn)層由Agent的多媒體信息表現(xiàn)接口來表現(xiàn)。這樣一個智能Agent在選擇合作伙伴時的內(nèi)部行為表現(xiàn)為：通訊管理器接受外部環(huán)境信息(來自市場的信息和要求)，由推理控制機(jī)(包括協(xié)議推理機(jī)和認(rèn)知推理機(jī))根據(jù)這些消息和要求，進(jìn)行分析、理解、推理后，迅速地從企業(yè)聯(lián)盟聯(lián)絡(luò)中挑選出合適的合作伙伴。
下面用數(shù)學(xué)模型來描述智能Agent在選擇合作伙伴時的推理控制算法。
假設(shè)某智能Agent正在尋求具有設(shè)計能力的企業(yè)，設(shè)Q1，Q2，…，Qm是m個可供選擇的企業(yè)，Y1，Y2，…，Yn是n個影響因素(如人才、設(shè)備、技術(shù)、費用和信譽(yù)等)。首先，要確定每個影響因素的相對重要性，也就是由推理控制機(jī)求出每個影響因素的權(quán)數(shù)，在此假設(shè)為w1，w2，…，wn，其中wi是Yi的權(quán)數(shù)，w1+w2+…+wn=1。接著，由推理控制機(jī)對每一個侯選企業(yè)按每一個影響因素進(jìn)行評估，然后，求出每個候選企業(yè)在每一個影響因素下的權(quán)數(shù)，如表1所示。 Q1w11w21…wn1Q2w12w22…wn2…Qnw1mw2m…wnm
表1 候選企業(yè)在每個影響因素下的權(quán)數(shù)
影響因素 Y1 Y2 … Yn
最后，由每個候選企業(yè)在每個影響因素下的權(quán)乘以該影響因素的權(quán)數(shù)并相加，其和S就是該企業(yè)總評估分?jǐn)?shù)，即S = w1i·w1+w2i·w2+…+ wni·wn，i = 1，2，…，m得分最高者即為獲選企業(yè)。
問題的關(guān)鍵是如何求出每個影響因素的權(quán)數(shù)，以及每個候選企業(yè)在每個影響因素下的權(quán)數(shù)。在推理控制機(jī)中，根據(jù)美國運籌學(xué)家Satty提出的層次分析法并運用三角模糊數(shù)可對上述問題進(jìn)行求解。從而最終完成設(shè)計伙伴的選擇