1、现代制造系统,第3章 先进制造模式（9） 东北大学秦皇岛分校 黄亮 n-xyz,第3章 先进制造模式 3.1 精益生产 3.2 约束理论 3.3 成组技术 3.4 柔性制造系统 3.5 可重构制造系统 3.6 其它先进制造理论（续）,（22）智能制造系统 （intelligent manufacturing system, IMS）,智能制造系统是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化智能系统，它在制造过程中能以一种高度柔性的方式，借助计算机模拟人类专家的智能活动进行分析、推理、判断、构思和决策等，从而取代或者延伸制造环境中人的部分脑力劳动。 主要特征：自组织能力、自律能力、自学习和自维
2、护能力、整个制造环境中的智能继承。 智能制造系统并非特指某种制造模式，而是人工智能方法在制造领域应用的统称。,人工智能（artificial intelligence，AI）是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学，属于计算机科学的一个分支。 主要研究领域包括智能机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等。,（23）Holon制造系统 （holon manufacturing system，HMS）,Holon制造系统也译作霍伦、合弄、全能或子整体制造系统，源于日本东京大学于1990年4月所倡导的“智能制造系统”国际合作研究计划，许多发达
3、国家（美国、欧洲共同体、加拿大、澳大利亚等）的大学或公司参加了该项计划。 该计划拟投资10亿美元，对100个项目实施前期科研计划，研究包含6方面内容，Holon制造系统为其中一个方面，于1993年被提出。,holon通常译作子整体，是匈牙利作家、哲学家亚瑟凯斯特勒（Arthur Koestler）把词整体（holos 或者说“the whole”）和部分（on 或者说“the part”）相结合而发明。 它指一个维持自身独立性、同时又作为整体的部分发挥作用的实体 。 子整体曾用于描述社会、细胞和组织的行为，还有最近出现的制造行为。子整体的概念也出现在软件开发领域。,Holon制造系统的概念涉及
4、范围比较广，主要特点包括 自治性（自组织性）、合作性、 智能性、敏捷性、柔性。 其核心思想与分形企业（课件第3.5节）有些像，但又融合了单元制造系统（课件第3.3节）、柔性制造系统（课件第3.4节）中的一些概念，特别是加入了人工智能领域的新技术。,（24）多Agent系统（multi-agent system，MAS）,Agent的概念由美国著名经济学家海曼明斯基（Hyman P. Minsky）于1986年提出。Agent直译为代理，意译作智能体，可以是智能软件、设备或机器人等，能够实现一系列的自动操作，故又称为无人自动机，是人工智能领域中的概念。 多Agent系统译作多代理系统或多智能体系
5、统，主要研究Agent之间的协作方法，是Agent研究方向的重点课题，分布式人工智能方向的基本内容。 近年来，有学者将多Agent系统引入到制造领域，成为一种新的智能制造系统。,（25）自治系统（autonomous system，AS）,自治系统原为通讯学科下通讯网络中的概念，指由一个管理实体管理，采用统一的内部选路协议的大范围的IP网络。 数学和动力学中有同名称概念，指不受外部影响即没有输入作用的一类动态系统。 有学者借鉴上述思想，扩展到管理学领域，提出自治制造系统，强调人工智能技术的应用，也注重管理上的局部自治。属于智能制造系统的一种，也和单元制造系统（课件第3.3节）、小组工作法（课件
6、第3.1节）的思想有类似之处。,（26）协同制造 （collaborative production commerce）,协同制造指充分利用Internet技术为特征的网络技术、信息技术，将串行工作变为并行工程，实现供应链内及跨供应链间的企业产品设计、制造、管理和商务等的合作的生产模式，最终通过改变业务经营模式与方式达到资源最充分利用的目的。包含三个层次： 各个制造单元的协同（车间级）； 企业内各个工厂的协同（企业级）； 基于供应链的协同（跨企业）。 当前的研究重点在跨企业层次。,协同制造产生的背景： 随着产品和制造过程复杂度的提高，单个企业越来越难以承受新产品开发和制造所需要的庞大的知识、技
7、能和设备，仅靠单个企业的自身力量越来越难对付瞬息万变的全球市场。 面对这种新形势，传统“大而全”、“小而全”的企业模式遇到了巨大的挑战。,企业协同制造系统是一个由企业之间、企业与环境之间相互作用、相互影响而形成的社会。 随着一个个封闭市场的开放、国际贸易集团力量的加强以及用户对产品和服务的自由流动的欢迎，随着通信和交通的迅速发展，全球制造业的集成已成为不可避免的趋势。,现代制造的特点之一为集成化，参考案例：一架波音747飞机有450万个部件，来自近10个国家的1000多家企业的1.5万多家工厂共同参与了飞机的制造。,协同制造的核心思想： 抓着本企业的优势所在，将优势工作放在本企业，其它工作寻找
8、成本低廉的合作。,协同的对象包括： 上游供应商; 下游客户; 其他合作伙伴; 竞争对手。 协同的内容包括： 面向产品结构的分解和合作，即将产品分为许多零部件，分工协作； 面向产品价值链的分解和合作，即按产品设计、制造、装配、销售、维护等各环节进行分工协作； 基于共同利益的合作，如资源共享、市场共享等。,企业协同制造的发展趋势：,企业协同制造的发展趋势： （1）朝紧密型（企业化）方向发展， 这方面的典型例子是跨国公司和跨国集团。 根据联合国的1997年投资报告的统计全球最大的100个经济体中，巨型跨国公司占51个，只有49个为国家经济体。 （2）朝松散型（市场化）方向发展， 主要表现为一是中小企
9、业大量涌现，二是大公司正在纷纷地把各部门改组为更小、更有自主权的利润中心，如事业部。,（27）网络化制造系统 （network manufacturing system）,网络化制造系统是指企业在网络化制造模式的指导思想、相关理论和方法的指导下，在网络化制造集成平台和软件工具的支持下，结合企业具体的业务需求，设计实施的基于网络的制造系统。上述定义包含了两层要求： 一是企业的组织结构为网络化结构（课件第3.5节）；二是应用网络化制造集成平台。,网络化制造系统涉及范围较广，与其说是一种制造模式，不如说是一类制造模式。 网络化制造系统的相关研究案例： 美国企业网（factory american n
10、et）已经在美国政府资助的“制造系统的敏捷基础设施”项目中得到实施。 德国Produktion2000框架方案旨在建立一个全球化的产品设计与制造资源信息服务网。 欧盟“第六框架计划”的一个主要目标是研究利用Internet技术改善联盟内各个分散实体之间的集成和协作机制。,网络化制造系统的相关研究案例： 2000年2月,通用汽车公司、福特汽车和戴姆勒-克莱斯勒、雷诺-日产公司终止各自的零部件采购计划,转向共同建立零部件采购的电子商务市场，实现采购环节的动态联盟。 波音在设计波音787客机中，通过全球协同网络环境，采用这一最先进的网络协同方式。 空客公司于2004年组织欧洲多个国家的63个公司参加
11、了VIVACE（value improvement through a virtual aeronautical collaborative enterprise）系统研究项目，经历了4年时间，构建了多学科协同研制的系统框架。,网络化制造系统的相关研究案例： 华中科技大学的杨叔子院士提出基于Agent的网络化制造模式，及基于利益驱动的动态重组机制。 重庆大学的刘飞等提出“区域性网络化制造系统”， 对网络化制造的定义、内涵特征进行了描述, 并归纳出了支撑网络化制造的技术体系。 浙江大学的祁国宁和顾新建教授分析网络化制造的几种发展途径并指出了网络化制造模式在21世纪制造业中的重要地位。 贵州工业大
12、学的谢庆生教授提出了基于ASP 模式的网络化制造系统结构，并针对我国的实际着重讨论了基于ASP 模式网络化制造的发展策略。,（28）敏捷制造系统 （agile manufacturing system, AMS）,1991年，在美国国防部的资助下，美国通用汽车公司（GM）和里海（Lehigh）大学的雅柯卡（Iacocca）研究所组织了百余家公司开展研究，3年后的研究报告中提出了敏捷制造系统（课件第3.5节）。 敏捷制造的核心思想是提高企业对市场变化的快速反应能力，满足顾客的要求。除了充分利用企业内部资源外，还可以充分利用其他企业乃至社会的资源来组织生产。目前，该模式的重点放在利用企业的外部资源
13、上。,（29）企业动态联盟 （dynamic alliance of enterprises）,当市场出现新机遇时，具有不同资源与优势的企业为了共同开拓市场，共同对付其他的竞争者而组织的、建立在信息网络基础上的共享技术与信息，分担费用，联合开发的、互利的企业联盟体。 企业动态联盟也称为动态组织联盟或虚拟企业（virtual organization），是一种跨企业制造系统的组织策略（课件第3.5节）。,（30）虚拟制造系统 （virtual manufacturing system）,此名词存在两个含义： 其一等同于虚拟企业、企业动态联盟的概念。（参考课件第3.5节） 其二指利用虚拟现实技术建
14、立 产品模型、设备模型和车间模型， 辅助解决实际生产中设计与管理问题。 （参考课件第7.2.4节）,（31）分布式系统（distributed system）,原为地理学中的概念，指多个系统的集合，其中亚系统平行地相互作用。 近年来，被引入计算机学科，指建立在网络之上具有高度的内聚性和透明性的软件系统。 例如：万维网，架构在多台遵循统一协议（内聚性）服务器系统上，但对用户而言就像一个文档一样（透明性）。,分布式系统的一个成功应用领域是分布式计算，即把一个需要非常巨大的计算能力才能解决的问题分成许多小的部分，然后把这些部分分配给许多计算机进行处理，最后把这些计算结果综合起来得到最终的结果。 应用
15、案例：对外星文明信号的搜索。,分布式计算系统与计算机集群， 也是计算机学科近期研究的一个热点。,分布式制造的概念与分布式计算类似，是将一种产品制造所需要的资源分解成若干部分，由若干个地理位置不在一起的部门协同完成。研究的重点在于整个系统的信息管理与协调控制上。 分布式制造系统主要有两种模式： 一是在企业级，销售、设计与制造部门地理位置分离，靠网络实现信息的沟通。 二是在跨企业级，由多家企业共同实现大型产品（例如大型客机）的制造。,（32）云制造系统 （cloud manufacturing system）,云制造是为降低制造资源的浪费，借用云计算（cloud computing）的思想，利用信
16、息技术实现制造资源的高度共享。建立共享制造资源的公共服务平台，将巨大的社会制造资源池连接在一起，提供各种制造服务，实现制造资源与服务的开放协作、社会资源高度共享。 企业用户无需再投入高昂的成本购买加工设备等资源，通过公共平台来购买租赁制造能力。,云制造的重点在于运用了云计算技术。 云是网络、互联网的一种比喻说法。过去在图中往往用云来表示电信网，后来也用来表示互联网和底层基础设施的抽象。 云计算（cloud computing）是基于互联网的相关服务的增加、使用和交付模式，通常涉及通过互联网来提供动态易扩展且经常是虚拟化的资源。,云制造思想的示意图：,云计算是分布式计算（distributed
17、computing）、并行计算（parallel computing）、效用计算（utility computing）、网络存储（network storage）、虚拟化（virtualization）、负载均衡（load balance）等传统计算机和网络技术发展融合的产物。,云计算的特点在于： 资源配置动态化； 需求服务自助化； 网络访问便捷化； 服务可计量化； 资源的虚拟化。,（33）生物型制造系统 （bionic manufacturing system）,现存的生物一般都是长期的生存竞争中在某些方面的优胜者，具有高度的合理性和目的性，在许多方面都是现代高科技产品望尘莫及的。 因此，在
18、生命科学的基础研究成果中选取富含对工程技术有启发作用的内容，是一件十分有意义的事情。 人们已经选取了例如敏捷（agile）、瘦（lean）、智能（intelligent）、子整体（holon）这些具有生物学意义的词汇，从不同角度描述先进制造系统模式。于是，有人计划进一步将具有这些特点的制造模式合称为生物型制造。,过去为刚性制造系统，采用固定工艺路线； 现在为柔性制造系统，采用柔性工艺路线； 未来的制造单元可以动态组织，加工顺序相对自由，无明显的工艺路线限制。,离散制造的生物型发展变化：,过去需要一批一批地交替生产不同产品； 现在则采用混流生产线，计算机控制切换产品类型； 未来的制造单元可以动态
19、组织，自由切换产品类型。,连续制造的生物型发展变化：,生物型制造系统的层次结构：,生物型制造系统的涉及范围：,（34）学习型企业（learning enterprise）,学习型企业：以共同愿景为基础，以团队学习为特征，以人为本,以企业和个人的全面发展为中心，以增强企业学习力、提高人的综合素质为目标所架构的学习求知的目标管理体系和所建立起的能够不断实现知识转化的运行机制的现代企业。 企业运营管理层次的概念，与生物型制造系统思想有类似之处，因此也被生物型制造系统的体系所包含。,（35）并行工程（concurrent engineering，CE）,上世纪80年代中期，美国国防分析研究所（IDA）
20、的R. I. Winner的研究报告中提出，并逐渐发展成一套理论体系。 并行工程的目的不仅是通过并行工作缩短产品设计时间，更重要的是融入了产品全生命周期设计的思想，通过系统考虑和持续改进提高了产品的质量，并且更注重用户的需求。 并行工程提出了多功能工作小组的概念，其思想与精益生产中的小组工作法十分相似（课件第3.5节）。 本课程将在第5.1.1节对并行工程进行介绍。,（36）产品全生命周期管理 （product life cycle management, PLM）,传统的市场营销学定义的产品生命周期为：导入、成长、成熟、衰退,这个已经不能概括产品生命周期的全过程。现在我们把这个四个阶段定义为
21、：产品市场生命周期。 产品全生命周期管理则包含产品战略、产品市场、产品需求、产品规划、产品开发、产品上市、产品市场生命周期管理7个部分。为了与传统的产品生命周期的概念区分，因此成为产品的全生命周期。,引入产品全生命周期管理的核心意义在于通过考察产品产生到消亡的各个阶段，更好地定义产品，并以此为基础更好地设计产品，让产品获得持续的市场生命力。 由此，出现了产品全生命周期设计（life cycle design，LCD）、全生命周期成本（life cycle cost，LCC）、全生命周期评价（life cycle assessment，LCA）和全生命周期仿真（life cycle simula
22、tion，LCS）等相关概念，主要应用领域为产品的设计阶段。 而目前的全生命周期管理软件（通常简称为PLM软件）的主要功能类似于产品数据管理（PDM），集成了CAD、CAE等设计工具，并支持新产品数据向生产的快速导入。,产品全生命周期设计（LCD）比起传统设计方法，更多地考虑产品的长期使用性能、制造成本等因素，目前其考虑最多的问题就是生态与环保问题，故有的文献将之称为生态设计（Eco-Design）。,案例：啤酒产品的全生命周期设计不仅仅涉及啤酒酿造工艺和酿造设备的设计，还涉及啤酒的包装问题。 在瓶装啤酒中，包括啤酒瓶、瓶盖、标签等的设计。,案例，啤酒产品的全生命周期设计： 啤酒瓶是灌装含气液
23、体并多次重复使用的包装容器，应具备足够的坚固性，同时又要减小质量、易于清洗； 瓶盖直接与啤酒接触，瓶盖材料和垫片材料应无毒性，并能保证在保质期内有足够的密封性能； 标签纸要有足够的牢度，以免在运输过程中脱落，印制图案的油墨应不含毒性。 显然，有关啤酒瓶、瓶盖、标签纸、印制油墨、黏结剂等问题都不是啤酒工艺设计师的擅长。 多学科的合作设计，可以从一开始就仔细谋划设计的各个方面，集思广益，做出最佳的选择。这样不但可以增加产品成功开发的机会，而且可以缩短设计周期。,（37）耗散结构理论 （dissipative structure theory）,诺贝尔奖获得者、比利时化学家伊里亚普里戈金（Ilya
24、Prigogine）教授于1969年提出，原为热力学和物理统计学中的概念：,一个远离平衡的开放系统，在外界条件变化达到某一特定阈值时，量变可能引起质变，系统通过不断地与外界交换能量与物质，就可能从原来的无序状态转变为一种时间、空间或功能的有序状态。这种非平衡态下的新的稳定有序结构，称为耗散结构。物理学中的典型例子是贝纳特流。,贝纳特流：在一扁平容器内充有一薄层液体，液层的宽度远大于其厚度，从液层底部均匀加热。当温度差较小时，液层中不会产生任何结构。但当温度差达到某一特定值时，液层中自动出现许多六角形小格子，液体从每个格子的中心涌起、从边缘下沉，形成规则的对流。从上往下可以看到贝纳特流形成的蜂窝
25、状贝纳特花纹图案。这种稳定的有序结构称为耗散结构。类似的有序结构还出现在流体力学、化学反应以及激光等非线性现象中。,耗散结构理论提出后，在自然科学和社会科学的很多领域如物理学、天文学、生物学、经济学、哲学等都产生了巨大影响。 著名未来学家阿尔文托夫（Alvin Toffler）在评价普里戈金的思想时，认为它可能代表了一次科学革命。 耗散结构理论应用于制造系统，主要强调企业的开放性，通过外界反馈信息自我调节，类似于本节课件前面提及的生物型制造系统，也包含网络化制造的概念。,（38）全球制造（globe manufacturing）,全球制造指在世界范围内实现企业柔性与敏捷化的一种制造概念（课件第
26、2.5节）。 全球制造系统既表示制造系统的一个层次，也包含了柔性和敏捷化制造的概念，是前述企业协同制造模式的一部分，因此也可作为一种先进制造模式。,（39）突变论（catastrophe theory）,突变论由法国数学家托姆（R. Thom）于1969年提出，主要研究非连续的变化现象。最初用于生态学，用于描述种群动态的突然暴发或突然崩溃。 后来被用于描述很多领域的突然变化和跃迁现象 ，例如水的沸腾、岩石的破裂、桥梁的崩塌、地震、细胞的分裂、生物的变异、人的休克、情绪的波动、战争、市场变化、经济危机等等。 突变论在制造领域的应用主要有两个方面： 其一是用于产品质量的描述，如刀具寿命预测； 其二
27、是用于企业组织性能的描述，用于评价企业业务流程重组后的变化。,突变论的相关典故某欧洲民谣： 丢了一个钉子，掉了一只蹄铁； 掉了一只蹄铁，毁了一匹战马； 毁了一匹战马，伤了一位骑士； 伤了一位骑士，输了一场战斗； 输了一场战斗，亡了一个国家。,来源于一场英国国王查理三世和里奇蒙德伯爵亨利为争夺王位的战斗。,突变论常使用数学模型表达突变现象， 例如：双参量四次多项式模型。,（40）可持续制造（sustainable manufacturing）,可持续制造是一种与环境友好的、洁净的、节省资源的先进制造技术，是一种符合可持续发展策略的制造技术，是基于现代的多学科的先进科技成果的综合技术。 可持续制造
28、的主要研究内容： 一是节能减排加工技术，尽量减少原料、能源的损耗和对环境的污染。 二是再制造技术，开发利用废弃资源为原料的新技术以及相应的制造模式。 课程第7.1.4节有更详细的介绍。,（41）绿色制造（green manufacturing，GM）,绿色制造又称环境意识制造（environmentally conscious manufacturing，ECM 或 manufacturing for environment，MFE）是一种综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式。 绿色制造的目标是使产品从设计、制造、运输、使用到报废处理的整个产品生命周期中，对环境的负作用最小，资源利用效率最
29、高，与可持续制造的概念十分类似。 课程第7.1.4节有更详细的介绍。,（42）面向21世纪的制造模式,一个覆盖范围很广的概念，基本包含了上述所有制造模式的思想，并需要结合现代制造的特点（高效、柔性和集成）继续完善和改进。,先进制造理论的分类,先进制造理论是针对现代制造的特点提出的，尽管先进制造的学说种类众多，内容繁杂，并且相互关联，但按照其主要特点，仍可做出简单的分类。以课件本节的序号标记，先进制造理论中 主要针对高效化特点的有 （1）（3），（9）（19）； 主要针对柔性化特点的有 （4）（6），（20）（25）； 主要针对集成化特点的有 （7），（8），（26）（38）； 最后为针对其它目
30、标的（39）（41）， 以及综合的（42）。,（1）精益生产； （2）约束理论； （3）成组技术； （4）柔性制造系统*； （5）可重构制造系统； （6）大规模定制； （7）计算机集成制造系统； （8）企业资源计划； （9）控制论； （10）丰田生产系统；,（11）精益六西格玛； （12）竞争制造系统； （13）获取竞争优势； （14）群策群力； （15）自我管理小组； （16）分形企业*； （17）持续在制品； （18）单元制造系统； （19）独立制造岛*； （20）混流生产线；,先进制造模式分类一览 （颜色标识：高效、柔性、集成、其它，名称颜色为主，星号颜色为辅）,（21）市场响应型自独立
31、制造系统*； （22）智能制造系统； （23）Holon制造系统； （24）多Agent系统； （25）自治系统*； （26）协同制造； （27）网络化制造系统； （28）敏捷制造系统*； （29）企业动态联盟*； （30）虚拟制造系统*；,（31）分布式系统*； （32）云制造系统*； （33）生物型制造系统*； （34）学习型企业*； （35）并行工程*； （36）产品全生命周期管理； （37）耗散结构理论； （38）全球制造； （39）突变论； （40）可持续制造； （41）绿色制造； （42）面向21世纪的制造模式。,先进制造模式分类一览（续） （颜色标识：高效、柔性、集成、其它，名称
32、颜色为主，星号颜色为辅）,总结 先进制造模式,“时势造英雄”，尽管先进制造理论众多，但谁能适应时代潮流，最终“一统江湖”，还需时间检验。 作为学习者，关键在于弄清所处时代的主要问题，理解先进制造理论中解决问题的思想，才能灵活选用，永不过时。 历史借鉴： 先秦诸子百家，只有儒家、道家、法家、墨家、名家、阴阳家、杂家、农家、纵横家、小说家十家后世留名，儒家一家独大。,课程要求（3.6）,知道协同制造的核心思想， 以及可能的协同对象（4点）、 协同内容（3点）和发展趋势（2点）。 知道突变论在制造领域的主要应用（2点）。 简单了解课程介绍的其它先进制造理论，理解其主要针对哪些现代制造的特点；能够根据一段案例介绍判断其应用了哪些先进制造模式。,
