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內(nèi)容提要：先進(jìn)制造技術(shù)越來越受到人們的重視，其中比較成熟的并行工程哲理已經(jīng)在國外推廣應(yīng)用，國內(nèi)也有些初步的成果。本文結(jié)合國內(nèi)外的研究實(shí)踐，對并行工程的概況進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹，并分析了國內(nèi)外的差距所在，希望為并行工程的研究提供些有益的幫助。

主題詞：并行工程，虛擬制造，CAD

一、并行工程的定義

1988年美國國家防御分析研究所（IDA—InstituteofDefenseAnalyze）完整地提出了并行工程（CE—ConcurrentEngineering）的概念，即“并行工程是集成地、并行地設(shè)計(jì)產(chǎn)品及其相關(guān)過程（包括制造過程和支持過程）的系統(tǒng)方法。這種方法要求產(chǎn)品開發(fā)人員在一開始就考慮產(chǎn)品整個(gè)生命周期中從概念形成到產(chǎn)品報(bào)廢的所有因素，包括質(zhì)量、成本、進(jìn)度計(jì)劃和用戶要求。”【1】如圖1所示。并行工程的目標(biāo)為提高質(zhì)量、降低成本、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期和產(chǎn)品上市時(shí)間。并行工程在實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)中，主要通過以下方法【7】：

設(shè)計(jì)質(zhì)量改進(jìn)──使早期生產(chǎn)中工程變更次數(shù)減少50％以上；

產(chǎn)品設(shè)計(jì)及其相關(guān)過程并行──使產(chǎn)品開發(fā)周期縮短40％～60％；

產(chǎn)品設(shè)計(jì)及其制造過程一體化──使制造成本降低30％～40％。

圖1并行工程示意圖

二、并行工程在先進(jìn)制造技術(shù)中的地位與作用

并行工程在先進(jìn)制造技術(shù)中具有承上啟下的作用，這主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：

并行工程是在CAD、CAM、CAPP等技術(shù)支持下，將原來分別進(jìn)行的工作在時(shí)間和空間上交叉、重迭，充分利用了原有技術(shù)，并吸收了當(dāng)前迅速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)的優(yōu)秀成果，使其成為先進(jìn)制造技術(shù)中的基礎(chǔ)。

在并行工程中為了達(dá)到并行的目的，必須建立高度集成的主模型，通過它來實(shí)現(xiàn)不同部門人員的協(xié)同工作；為了達(dá)到產(chǎn)品的一次設(shè)計(jì)成功，減少反復(fù)，它在許多部分應(yīng)用了仿真技術(shù)；主模型的建立、局部仿真的應(yīng)用等都包含在虛擬制造技術(shù)中，可以說并行工程的發(fā)展為虛擬制造技術(shù)的誕生創(chuàng)造了條件，虛擬制造技術(shù)將是以并行工程為基礎(chǔ)的，并行工程的進(jìn)一步發(fā)展方向是虛擬制造（VM?/FONT>VirtualManufacturing）。所謂虛擬制造又叫擬實(shí)制造，它利用信息技術(shù)、仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)對現(xiàn)實(shí)制造活動中的人、物、信息及制造過程進(jìn)行全面的仿真，以發(fā)現(xiàn)制造中可能出現(xiàn)的問題，在產(chǎn)品實(shí)際生產(chǎn)前就采取預(yù)防措施，從而達(dá)到產(chǎn)品一次性制造成功，來達(dá)到降低成本、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，增強(qiáng)產(chǎn)品競爭力的目的【19】。

三、并行工程的應(yīng)用概況介紹

并行工程在美國、德國、日本等一些國家中已得到廣泛應(yīng)用，其領(lǐng)域包括汽車、飛機(jī)、計(jì)算機(jī)、機(jī)械、電子等行業(yè)。例如：美國佛杰尼亞大學(xué)并行工程研究中心應(yīng)用并行工程開發(fā)新型飛機(jī)，使機(jī)翼的開發(fā)周期縮短了60％（由以往的18個(gè)月減至7個(gè)月）；美國Mercury計(jì)算機(jī)聯(lián)合開發(fā)公司在開發(fā)40-MHzInteli860微處理芯片時(shí)，運(yùn)用并行工程方法，使產(chǎn)品從開始設(shè)計(jì)到被消費(fèi)者檢驗(yàn)合格由原來125天減少到90天；美國HP公司采用并行工程方法設(shè)計(jì)制造的54600型100-MHz波段示波器，在性能及價(jià)格上都優(yōu)于亞洲最好的產(chǎn)品，研制周期卻縮短了1/3；美國的愛國者防空導(dǎo)彈系統(tǒng)也是80年代后期運(yùn)用并行工程方法迅速研制成功的【6】。美國波音公司在1994年向全世界宣布，波音777飛機(jī)采用并行工程的方法，大量使用CAD/CAM技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了無紙化生產(chǎn)，試飛一次成功，并且比按傳統(tǒng)方法生產(chǎn)節(jié)約時(shí)間近50％。德國西門子公司下屬的公共通訊網(wǎng)絡(luò)集團(tuán)（SimensAG,PublicCommunicationNetworkGroup）在開發(fā)復(fù)雜電子系統(tǒng)的核心子系統(tǒng)過程中，采用了并行工程的方法，取得了顯著的效果，在仿真階段共提出320份報(bào)告，發(fā)現(xiàn)并糾正了許多錯(cuò)誤【17】。如表1所示，其他一些公司應(yīng)用并行工程后也產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

案例

成本

庫存

生產(chǎn)周期

開發(fā)周期

勞動生產(chǎn)率

HP公司

降低4％

降低7％

降低9％

縮短3％

上升30％

AT&T

降低6％

縮短8％

上升23％

麥道公司

縮短2％

迪爾公司

降低30％

降低60～70％

縮短6％

在國內(nèi)，并行工程作為CIMS發(fā)展的一個(gè)新階段，得到了一些企業(yè)的廣為關(guān)注，其研究已于1992年底被列為國家863計(jì)劃自動化領(lǐng)域的重點(diǎn)研究內(nèi)容。在國家科技部和863/CIMS主題專家組的領(lǐng)導(dǎo)下，1995年7月由清華大學(xué)、華中理工大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、上海交通大學(xué)和航天工業(yè)總公司二院5個(gè)單位人員組成了“863/CIMS關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)棗并行工程”的技術(shù)攻關(guān)隊(duì)伍，以航天總公司二院的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件為應(yīng)用背景，開展并行工程關(guān)鍵技術(shù)的研究與應(yīng)用。經(jīng)過近兩年的攻關(guān)，終于取得了重大進(jìn)展。該項(xiàng)目在應(yīng)用上有特色，在某些關(guān)鍵技術(shù)上已經(jīng)達(dá)到國際先進(jìn)水平，目前，該項(xiàng)目已經(jīng)通過鑒定【17】。

雖然并行工程在實(shí)際應(yīng)用中產(chǎn)生了如此巨大的效果，但是也還存在一些不易解決的問題，如：在設(shè)計(jì)中考慮后續(xù)工作增加了當(dāng)前工作的難度，支持并行工程的主模型還未統(tǒng)一，工程數(shù)據(jù)庫還沒有完全成熟等。為此人們進(jìn)行了大量的研究工作，本文的介紹只能是掛一漏萬的。

四、并行工程的研究熱點(diǎn)

通過查閱國內(nèi)外文獻(xiàn)，了解到目前并行工程的研究熱點(diǎn)主要包括：

1、并行工程基礎(chǔ)理論的研究：主要包括概念設(shè)計(jì)模型、并行設(shè)計(jì)理論、魯棒設(shè)計(jì)及支持產(chǎn)品開發(fā)全過程的模型研究。尤其是并行設(shè)計(jì)的建模技術(shù)，所謂建模就是指建立產(chǎn)品模型，而產(chǎn)品模型包括產(chǎn)品生命周期各階段的信息及訪問、操作這些信息的算法。在計(jì)算機(jī)環(huán)境下，進(jìn)行并行設(shè)計(jì)要求信息模型能夠獲取和表達(dá)產(chǎn)品信息、制造信息和資源信息；能夠方便地獲得有關(guān)產(chǎn)品可制造性、可裝配性、可維護(hù)性、安全性等方面的信息；能夠使小組成員共享信息。要滿足這些要求，必須建立一個(gè)能夠表達(dá)和處理有關(guān)產(chǎn)品生命周期各階段所有信息的統(tǒng)一產(chǎn)品模型。統(tǒng)一模型的建立可以在特征建模基礎(chǔ)上進(jìn)行，但是特征建模只是強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)和制造信息的集成，在多學(xué)科人員協(xié)同工作環(huán)境下，當(dāng)產(chǎn)品開發(fā)某環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)被改動后，它不具備自動更新相關(guān)數(shù)據(jù)的能力，即不支持所謂全相關(guān)性。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)提出的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型STEP標(biāo)準(zhǔn)是建立模型的工具，但由于產(chǎn)品數(shù)據(jù)復(fù)雜、多變此標(biāo)準(zhǔn)仍在試用階段。從支持并行設(shè)計(jì)建模技術(shù)研究現(xiàn)狀來看，目前的模型對詳細(xì)設(shè)計(jì)階段以及下游諸環(huán)節(jié)支持得較為充分，但在產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)階段其信息描述能力較弱，這是需要深入研究的課題【9】。

2、制造環(huán)境建模：在并行工程中產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段就考慮制造因素，使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行，因此，無論在產(chǎn)品的初期方案設(shè)計(jì)或詳細(xì)設(shè)計(jì)階段都要及時(shí)地進(jìn)行產(chǎn)品可加工性及可裝配性的評價(jià)并生成合適的工藝，這就必然涉及到從現(xiàn)實(shí)制造資源角度評價(jià)所涉及產(chǎn)品的制造工藝性能，同時(shí)還要工廠、車間、工段的生產(chǎn)能力、設(shè)備布局及負(fù)荷情況等，這樣制造環(huán)境的數(shù)據(jù)和知識模型就是達(dá)到并行必不可少的部分。文獻(xiàn)【12】運(yùn)用二叉樹及特征建模描述了制造環(huán)境建模情況。

3、面向并行工程的CAPP：傳統(tǒng)的CAPP不具備與產(chǎn)品設(shè)計(jì)并行交互的能力，不能對產(chǎn)品或零件進(jìn)行可制造性評價(jià)并反饋結(jié)果，為實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助并行工程，面向并行工程的CAPP是關(guān)鍵。為了達(dá)到這一目的，零件信息模型應(yīng)是一個(gè)動態(tài)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)者可以在設(shè)計(jì)中的任何階段將設(shè)計(jì)結(jié)果移交工藝評價(jià)模塊，并根據(jù)評價(jià)結(jié)果修改模型或繼續(xù)設(shè)計(jì)；該模型應(yīng)將零件功能與零件特征間建立一種映射關(guān)系；此模型還應(yīng)便于多知識源的協(xié)同處理，一般可采用“黑板結(jié)構(gòu)”，即一組負(fù)責(zé)相應(yīng)功能的知識源系統(tǒng)在“管理者”的協(xié)調(diào)控制下，對領(lǐng)域黑板上的當(dāng)前零件信息模型進(jìn)行操作。文獻(xiàn)【11】給出了面向并行工程的CAPP體系結(jié)構(gòu)及零件建模、環(huán)境建模等模塊的結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)【13】以軸類零件為例，采用了鏈表作為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示零件的形狀特征等，但距離實(shí)用還有一定的差距。

4、DFX：在這一領(lǐng)域中，主要集中于DFM和DFA這兩個(gè)方向上。面向制造的設(shè)計(jì)(DFM)是并行工程中最重要的研究內(nèi)容之一，它是指在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段盡早地考慮與制造有關(guān)的約束（如可制造性），全面評價(jià)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)，并提出改進(jìn)的反饋信息，及時(shí)改進(jìn)設(shè)計(jì)。在DFM中包含著設(shè)計(jì)與制造兩個(gè)方面，傳統(tǒng)上制造都是考慮設(shè)計(jì)要求的，但是設(shè)計(jì)考慮制造上的要求不夠充分，在DFM中必須充分考慮制造要求，一般通過可制造性評價(jià)來實(shí)現(xiàn)【14】【15】。面向裝配的設(shè)計(jì)（DFA）與DFM類似，它是將可裝配性在設(shè)計(jì)時(shí)加以考慮,設(shè)計(jì)與裝配在計(jì)算機(jī)的支持下統(tǒng)一于一個(gè)通用的產(chǎn)品模型，來達(dá)到易于裝配，節(jié)省裝配時(shí)間、降低裝配成本的目的【16】。

并行工程集成框架：所謂集成框架就是使企業(yè)內(nèi)的各類應(yīng)用實(shí)現(xiàn)信息集成、功能集成和過程集成的軟件系統(tǒng)。主要包括基于思想模型的輔助決策系統(tǒng)、支持多功能小組的多媒體會議系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)輔助沖突解決的協(xié)調(diào)系統(tǒng)等。一般可以采用多媒體技術(shù)、客戶服務(wù)器模型進(jìn)行開發(fā)，但在知識共享、多領(lǐng)域數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換、設(shè)計(jì)意圖表達(dá)等方面還沒有找到切實(shí)可行的辦法，建立一個(gè)包括信息集成、工具集成和人員集成的理想網(wǎng)絡(luò)環(huán)境仍是一個(gè)長期的努力過程。

6、沖突消解及知識處理、協(xié)同：在并行工程中產(chǎn)品的早期涉及階段能夠得到的信息大多是模糊和不確定的，僅僅運(yùn)用經(jīng)典數(shù)學(xué)的精確方法來處理往往不能真實(shí)地反映客觀世界的現(xiàn)實(shí)，具有很大的局限性，由美國自動控制專家L.A.Zadeh創(chuàng)立的模糊集理論在處理定性和模糊的知識方面顯示了強(qiáng)大的生命力，因此將模糊集理論應(yīng)用于并行工程中的知識協(xié)同處理取得了良好的效果【10】。文獻(xiàn)【18】提出的一種新的設(shè)計(jì)知識的表示方法棗資源模型，對資源和資源間的運(yùn)算關(guān)系進(jìn)行了定義，對多功能小組、任務(wù)并行執(zhí)行、質(zhì)量管理、知識重用等進(jìn)行了描述。

7、面向并行工程企業(yè)的體系結(jié)構(gòu)和組織機(jī)制：主要包括人的集成（客戶、設(shè)計(jì)者、制造者和管理者）、企業(yè)各部門功能集成、信息集成及設(shè)計(jì)、制造工具集成的組織機(jī)制。

8、并行工程中產(chǎn)品開發(fā)過程的管理。

9、仿真技術(shù)在企業(yè)各部門及產(chǎn)品開發(fā)過程中的應(yīng)用。

10、質(zhì)量工程的研究：主要包括田口(Taguchi)方法、全面質(zhì)量管理(TQC)及質(zhì)量功能配置(QFD)。

我國的研究工作主要集中在高校中，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)如下表所示：

單位名稱

主要研究方向

清華大學(xué)

面向CE的CAD/CAPP/CAM的集成研究、DFM等

華中理工大學(xué)

并行設(shè)計(jì)的零件信息模型、面向CE的設(shè)備環(huán)境建模等

上海交通大學(xué)

面向CE的集成化設(shè)計(jì)信息模型及決策信息模型、DFA等

北京航空航天大學(xué)

CE中過程建模、過程管理及通訊技術(shù)研究等

西安交通大學(xué)

CE的過程模型與并行品質(zhì)評價(jià)等

西北工業(yè)大學(xué)

并行工程中的模糊知識（信息）協(xié)同方法、QFD等

北京理工大學(xué)

面向CE的協(xié)同工作環(huán)境等

天津大學(xué)

智能工程知識處理及并行設(shè)計(jì)支持環(huán)境等

五、結(jié)束語

通過對比國內(nèi)與國外的研究情況，我們發(fā)現(xiàn)目前我國并行工程的研究工作主要存在以下一些問題：

(1)研究的廣度和深度不夠：雖然并行工程的研究工作已經(jīng)廣泛開展，但是無論從研究的內(nèi)容上看，還是從研究的水平上說都明顯存在差距。如：并行工程在成本和質(zhì)量上的應(yīng)用才剛剛起步，與供應(yīng)商的集成問題還沒有提上日程。

(2)與并行工程有關(guān)的技術(shù)實(shí)用化不夠：在實(shí)用技術(shù)研究方面，目前還沒有商品化軟件誕生，而國外公司（如：PTC的Pro?/FONT>Engineering、CV的CADDS5）已經(jīng)推出商品化軟件。

(3)并行工程的實(shí)施隊(duì)伍不夠：由于科研力量薄弱，在研究上還不能全面開花，并行工程的實(shí)施就更是難上加難了。而且，當(dāng)前國內(nèi)機(jī)械行業(yè)在激烈的市場競爭中經(jīng)濟(jì)效益不好，CAD/CAM技術(shù)還有待普及，全面實(shí)施并行工程還缺乏基本的物質(zhì)基礎(chǔ)。

綜上所述，并行工程的實(shí)施將從根本上改變現(xiàn)行的制造模式，在國外已經(jīng)取得了大量的成功應(yīng)用，對此我們必須引起高度重視，跟蹤世界先進(jìn)水平開展適合我國國情的研究工作，為并行工程在我國的廣泛應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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THEGENERALRESEARCHSITUATIONOFCONCURRENTENGINEERING

ChenXiao-Chuan,ZhangBao-Bao,LiuXiao-Bing,FengXin-An

(DalianUniversityofTechnology,CIMSCentre,Dalian,116023)

Abstract:PeoplerespecttheAdvancedManufacturingTechnology(AMT)moreandmore.ConcurrentEngineering(CE)whichisoneoftheATMhasbeenusedinabroadandtherearesomefruitsinChina.Inthispaper,wegivethegeneralresearchsituationofCE.ThenweanalyzedthedifferencesbetweenChinaandthedevelopedcountriesinCE’sresearch.AndwehopeourworkisbenefitonpersonswhoresearchCE.

Keywords:ConcurrentEngineering,VirtualManufacturing,CAD