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網絡化設計與制造的實施策略

時間:2011-05-20 08:43:52 來源:未知
 
產品設計與制造環境的根本性變化，導致了信息時代產品開發的新概念的形成：信息時代的產品設計與制造，以面向產品的全生命周期為特征，并行化(改傳統的串行方式為并行方式)，集成化(信息的集成、資源的集成、技術的集成、人員的集成)，柔性化和敏捷化(快速響應客戶的要求，表現為結構上的快速重組、性能上的快速響應)，從而最終實現高度的自動化。
而傳統的組織結構相對固定、資源相對集中、以區域性經濟為主導、以面向產品為特征的產品設計與制造模式，已與之不相適應，迫切需要建立一種市場需求驅動的、具有快速響應機制的產品設計與制造新模式——網絡化設計與制造。

1 基于網絡的異地合作設計模式

現代設計不同于傳統的設計，是由于市場競爭和技術進步形勢的變化，它比過去任何時候都更加依賴于新知識的獲取，而不是經驗。設計知識的獲取能力是一種綜合實力，包括經營管理水平、技術水平、資本實力、人才實力、先進設備和過去經驗。它們的總和，可以看成是設計知識獲取的資源。發達國家的企業多以研究開發(R&D)中心的組織形式來發展這種資源。我國企業由于各方面的原因，要在內部發展這種資源，無論是資金投入、人才集聚、設備供應，還是經驗積累，在短時期內都是很困難的。但另一方面，我國也確實存在相當一批可以支持產品開發中設計知識獲取的資源。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構中。為將這種分布式的設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力量在短時期內整合成為力量強大、水平較高的研究開發團隊，以在較短的時間內完成特定項目的設計任務，一種基于網絡的異地合作設計模式——虛擬研究開發中心(Virtual R&D)的組建就顯得非常必要。
虛擬研究開發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絡，而不同于傳統意義上的協同開發。虛擬研究開發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，而是根據項目需要建立的一種動態聯盟。
 
圖1 虛擬研究開發中心的體系結構
圖1給出了虛擬研究開發中心的系統結構框圖。虛擬研究開發中心主要包括3個系統，即信息系統、管理系統和技術支持系統。管理系統負責項目設計的組織和中心對外聯絡，是中心的組織者、協調者和管理者：信息系統主要管理相關領域設計知識的收集和成員單位之間設計信息的共享協調：技術支持系統由若干項目組組成，項目組則是由來自各個成員單位的設計者組成的一個項目開發小組，在地域上他們是分散的，聯結他們的則是某一設計任務，他們通過網絡上的Web瀏覽器、音頻、視頻、公用chat區和白板進行實時信息的討論和交流，各設計者可以同時設計不同部分，然后將文件存儲在數據庫系統中，從服務器中恢復文件后，進行產品的可制造性評價(DFM)、可裝配性分析(DFA)，不同的設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計領域的不同方向具有優勢，因此他們就可以取長補短，發揮出整體優勢，在短時期內將各自的優勢集成到某一項目中，從而使該項目的設計水平達到甚至超過國際同類產品水平。

2 基于Agent的網絡化制造模式

現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、經驗和包括技藝在內的能力，同時也利用人工智能：快速是對顧客驅動的市場的響應靈活而快捷。其模式有遠程制造、敏捷制造、網絡化制造等。網絡化制造系統通過網絡將分散在各地企業的制造資源連接起來，實現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、快速進入與退出市場。這就要求采用新的有效的組織形態與運行決策機制，能通過簡單的控制規則來實現制造系統的動態重組與運行控制，為解決這個難題，一種基于分布式異質Agent協同求解的網絡化制造系統模式產生了：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通過簡單的控制規則相互作用，形成系統整體的自組織、自適應與自進化行為能力，從而實現制造系統的快速重組與行為控制。#p#分頁標題#e#
 
圖2 基于Agent網絡化制造環境
在制造環境中，一個Agent所代表的功能實體可以是一個制造企業、一個制造車間、一臺制造設備或一套軟件系統等。按照各功能實體完成自身任務的方式，可以將其分為三類：自動系統(如數控設備)、人機系統(如CAD系統)和制造中的人或組織。相應地，可以用三種不同功能與結構的Agent作為其代理，即自動系統Agent、人機系統Agent和自然Agent。制造環境中的各Agent通過計算機網絡連接起來，構成基于Agent分布式網絡化制造環境，見圖2。如果各Agent所代表的功能實體是獨立的制造企業，則形成一種企業聯盟網絡環境，實現企業之間的集成：如果各Agent所代表的功能實體是企業內部的功能子系統，則形成企業內部網絡環境，實現企業內部的集成。當某一功能實體Agent接受到產品制造信息(如產品設計后生成的NC 代碼)，它將根據產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的合作伙伴協作完成。美國通用電器研究與開發部的“計算機輔助制造網絡(Computer Aided Manufacturing Network)”就是利用這個原理使得集成企業的成員能夠快速連接和共享制造信息。
此外，柔性制造系統(FMS)、計算機集成制造系統(CIMS)、機器人系統被廣泛應用于網絡化制造業。在CAD/CAM/CAPP/CAX集成的網絡服務系統中，用戶輸入產品信息，系統可生成完整的CAD/CAM/CAPP/CAX文件來控制遠程的制造設備完成加工過程，系統使用網頁在用戶和網絡服務系統間建立界面，使用戶通過Internet 操作遠程制造設備。
 
圖3 產品生命周期的內容

3 基于網絡、面向產品全生命周期的虛擬產品開發技術

產品生命周期包含的階段和內容見圖3。這是一個由市場到市場的循環過程，包括產品開發階段、產品制造階段、產品銷售階段、產品使用階段和產品回收階段。面向產品生命周期的設計，即在設計一開始，就充分考慮設計下游有可能涉及的影響因素，盡量避免在某一設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境。
為了在產品開發階段全面考慮產品生命周期各階段的要求，出現了對設計方案進行快速評價的CAE系統和DFX系統。比較實用的相關技術集中體現在DFX方面，包括面向性能設計(DFP)、面向裝配設計(DFA)、面向制造設計(DFM)、面向測試設計(DFT)、面向質量設計(DFQ)、面向成本設計(DFC)、面向服務和維修設計(DFS)等。如何將這些技術實時、動態地規劃在一？另外，在產品開發過程中，還有一個重要的環節，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品開發時間，有無可能用數字化試驗模型(digital mock-up)取代實物試驗模型(physical mock-up)。還有，可否使客戶直接參與產品開發，包括身臨其境地測試產品性能和真實感受產品的使用性能。
為了解決上述問題，一種基于網絡技術和虛擬現實技術的設計模式——虛擬產品開發技術應運而生。虛擬產品開發技術主要包括虛擬設計和虛擬制造兩方面。虛擬產品即存儲在計算機內部的產品數據模型。產品建模、數據共享和過程仿真是虛擬產品開發技術的基礎。為了對虛擬產品的設計、加工、裝配、使用性能等進行建模，必須要求完整可靠的產品描述，不僅包括產品定義數據本身，還包括產品生命周期內所有相應的環境的描述，以及產品和環境相互作用規律的描述，以及產品和環境相互作用規律的描述。然后依靠仿真技術模擬產品的分析、加工、裝配過程，使整個產品在計算機中造出來，再對仿真結果進行測量、分析，以確定產品是否滿足市場需求、是否可以真正生產。在整個產品開發過程中，利用虛擬現實技術的交互性(interaction)、沉浸性(immersion)和想象性(imagination)達到模擬產品開發環境的高度逼真化，并使人可以對虛擬原型直接進行交互操作，產生身臨其境的感覺。而其中所有數據和其它信息通過網絡實行共享。目前虛擬產品開發技術在波音777和歐洲空中客車公司得到應用，從而使產品的開發周期分別由8年、4年減少至5年和2.5年。 #p#分頁標題#e#

4 基于Agent的合作伙伴的選擇機理

面對某一市場機遇，如何在企業聯盟網絡中快速選擇合適的合作伙伴。在網絡化設計與制造系統中，合作伙伴的選擇工作是由智能Agent完成的。企業聯盟網絡中的合作伙伴有以下幾種類型：設計伙伴、制造伙伴和供應商。下面就以設計伙伴的選擇為例來剖析基于Agent的合作伙伴的選擇機理。
 
圖4 智能Agent的總體結構
智能Agent的總體結構如圖4所示。它依據內部功能的不同可以分成4個層次：通訊層、協同控制層、自定義層與表現層。其中通訊層由通訊管理器組成，協同控制層由協議推理機與協同知識庫組成，自定義層由認知推理機與能力知識庫組成，而表現層由Agent的多媒體信息表現接口來表現。這樣一個智能Agent在選擇合作伙伴時的內部行為表現為：通訊管理器接受外部環境信息(來自市場的信息和要求)，由推理控制機(包括協議推理機和認知推理機)根據這些消息和要求，進行分析、理解、推理后，迅速地從企業聯盟聯絡中挑選出合適的合作伙伴。
下面用數學模型來描述智能Agent在選擇合作伙伴時的推理控制算法。
假設某智能Agent正在尋求具有設計能力的企業，設Q1，Q2，…，Qm是m個可供選擇的企業，Y1，Y2，…，Yn是n個影響因素(如人才、設備、技術、費用和信譽等)。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求出每個影響因素的權數，在此假設為w1，w2，…，wn，其中wi是Yi的權數，w1+w2+…+wn=1。接著，由推理控制機對每一個侯選企業按每一個影響因素進行評估，然后，求出每個候選企業在每一個影響因素下的權數，如表1所示。 Q1w11w21…wn1Q2w12w22…wn2…Qnw1mw2m…wnm
表1 候選企業在每個影響因素下的權數
影響因素 Y1 Y2 … Yn
最后，由每個候選企業在每個影響因素下的權乘以該影響因素的權數并相加，其和S就是該企業總評估分數，即S = w1i·w1+w2i·w2+…+ wni·wn，i = 1，2，…，m得分最高者即為獲選企業。
問題的關鍵是如何求出每個影響因素的權數，以及每個候選企業在每個影響因素下的權數。在推理控制機中，根據美國運籌學家Satty提出的層次分析法并運用三角模糊數可對上述問題進行求解。從而最終完成設計伙伴的選擇