并行工程的研究概况综述

并行工程的研究概况综述注意：本文已经在1999年3月的《机械制造》(1999,3:9～11)杂志发表使用者请注明文章内容出处陈晓川张暴暴刘晓冰冯辛安（大连理工大学CIMS中心）内容提要：先进制造技术越来越受到人们的重视，其中比较成熟的并行工程哲理已经在国外推广应用，国内也有些初步的成果。本文结合国内外的研究实践，对并行工程的概况进行了较为详细的介绍，并分析了国内外的差距所在，希望为并行工程的研究提供些有益的帮助。主题词：并行工程，虚拟制造，CAD一、并行工程的定义1988年美国国家防御分析研究所（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、并行地设计产品及其相关过程（包括制造过程和支持过程）的系统方法。这种方法要求产品开发人员在一开始就考虑产品整个生命周期中从概念形成到产品报废的所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户要求。”【1】如图1所示。并行工程的目标为提高质量、降低成本、缩短产品开发周期和产品上市时间。并行工程在实现上述目标中，主要通过以下方法【7】：设计质量改进──使早期生产中工程变更次数减少50％以上；产品设计及其相关过程并行──使产品开发周期缩短40％～60％；产品设计及其制造过程一体化──使制造成本降低30％～40％。图1并行工程示意图二、并行工程在先进制造技术中的地位与作用并行工程在先进制造技术中具有承上启下的作用，这主要体现在两个方面：1.并行工程是在CAD、CAM、CAPP等技术支持下，将原来分别进行的工作在时间和空间上交叉、重迭，充分利用了原有技术，并吸收了当前迅速发展的计算机技术、信息技术的优秀成果，使其成为先进制造技术中的基础。2.在并行工程中为了达到并行的目的，必须建立高度集成的主模型，通过它来实现不同部门人员的协同工作；为了达到产品的一次设计成功，减少反复，它在许多部分应用了仿真技术；主模型的建立、局部仿真的应用等都包含在虚拟制造技术中，可以说并行工程的发展为虚拟制造技术的诞生创造了条件，虚拟制造技术将是以并行工程为基础的，并行工程的进一步发展方向是虚拟制造（VM?/FONTVirtualManufacturing）。所谓虚拟制造又叫拟实制造，它利用信息技术、仿真技术、计算机技术对现实制造活动中的人、物、信息及制造过程进行全面的仿真，以发现制造中可能出现的问题，在产品实际生产前就采取预防措施，从而达到产品一次性制造成功，来达到降低成本、缩短产品开发周期，增强产品竞争力的目的【19】。三、并行工程的应用概况介绍并行工程在美国、德国、日本等一些国家中已得到广泛应用，其领域包括汽车、飞机、计算机、机械、电子等行业。例如：美国佛杰尼亚大学并行工程研究中心应用并行工程开发新型飞机，使机翼的开发周期缩短了60％（由以往的18个月减至7个月）；美国Mercury计算机联合开发公司在开发40-MHzInteli860微处理芯片时，运用并行工程方法，使产品从开始设计到被消费者检验合格由原来125天减少到90天；美国HP公司采用并行工程方法设计制造的54600型100-MHz波段示波器，在性能及价格上都优于亚洲最好的产品，研制周期却缩短了1/3；美国的爱国者防空导弹系统也是80年代后期运用并行工程方法迅速研制成功的【6】。美国波音公司在1994年向全世界宣布，波音777飞机采用并行工程的方法，大量使用CAD/CAM技术，实现了无纸化生产，试飞一次成功，并且比按传统方法生产节约时间近50％。德国西门子公司下属的公共通讯网络集团（SimensAG,PublicCommunicationNetworkGroup）在开发复杂电子系统的核心子系统过程中，采用了并行工程的方法，取得了显著的效果，在仿真阶段共提出320份报告，发现并纠正了许多错误【17】。如表1所示，其他一些公司应用并行工程后也产生了巨大的经济效益。在国内，并行工程作为CIMS发展的一个新阶段，得到了一些企业的广为关注，其研究已于1992年底被列为国家863计划自动化领域的重点研究内容。在国家科技部和863/CIMS主题专家组的领导下，1995年7月由清华大学、华中理工大学、北京航空航天大学、上海交通大学和航天工业总公司二院5个单位人员组成了“863/CIMS关键技术攻关棗并行工程”的技术攻关队伍，以航天总公司二院的复杂结构件为应用背景，开展并行工程关键技术的研究与应用。经过近两年的攻关，终于取得了重大进展。该项目在应用上有特色，在某些关键技术上已经达到国际先进水平，目前，该项目已经通过鉴定【17】。虽然并行工程在实际应用中产生了如此巨大的效果，但是也还存在一些不易解决的问题，如：在设计中考虑后续工作增加了当前工作的难度，支持并行工程的主模型还未统一，工程数据库还没有完全成熟等。为此人们进行了大量的研究工作，本文的介绍只能是挂一漏万的。四、并行工程的研究热点通过查阅国内外文献，了解到目前并行工程的研究热点主要包括：1、并行工程基础理论的研究：主要包括概念设计模型、并行设计理论、鲁棒设计及支持产品开发全过程的模型研究。尤其是并行设计的建模技术，所谓建模就案例成本库存生产周期开发周期劳动生产率HP公司降低4％降低7％降低9％缩短3％上升30％AT&T降低6％缩短8％上升23％麦道公司缩短2％迪尔公司降低30％降低60～70％缩短6％是指建立产品模型，而产品模型包括产品生命周期各阶段的信息及访问、操作这些信息的算法。在计算机环境下，进行并行设计要求信息模型能够获取和表达产品信息、制造信息和资源信息；能够方便地获得有关产品可制造性、可装配性、可维护性、安全性等方面的信息；能够使小组成员共享信息。要满足这些要求，必须建立一个能够表达和处理有关产品生命周期各阶段所有信息的统一产品模型。统一模型的建立可以在特征建模基础上进行，但是特征建模只是强调设计和制造信息的集成，在多学科人员协同工作环境下，当产品开发某环节数据被改动后，它不具备自动更新相关数据的能力，即不支持所谓全相关性。国际标准化组织(ISO)提出的产品数据模型STEP标准是建立模型的工具，但由于产品数据复杂、多变此标准仍在试用阶段。从支持并行设计建模技术研究现状来看，目前的模型对详细设计阶段以及下游诸环节支持得较为充分，但在产品概念设计阶段其信息描述能力较弱，这是需要深入研究的课题【9】。2、制造环境建模：在并行工程中产品的设计阶段就考虑制造因素，使得产品设计和工艺设计同时进行，因此，无论在产品的初期方案设计或详细设计阶段都要及时地进行产品可加工性及可装配性的评价并生成合适的工艺，这就必然涉及到从现实制造资源角度评价所涉及产品的制造工艺性能，同时还要工厂、车间、工段的生产能力、设备布局及负荷情况等，这样制造环境的数据和知识模型就是达到并行必不可少的部分。文献【12】运用二叉树及特征建模描述了制造环境建模情况。3、面向并行工程的CAPP：传统的CAPP不具备与产品设计并行交互的能力，不能对产品或零件进行可制造性评价并反馈结果，为实现计算机辅助并行工程，面向并行工程的CAPP是关键。为了达到这一目的，零件信息模型应是一个动态的数据结构，设计者可以在设计中的任何阶段将设计结果移交工艺评价模块，并根据评价结果修改模型或继续设计；该模型应将零件功能与零件特征间建立一种映射关系；此模型还应便于多知识源的协同处理，一般可采用“黑板结构”，即一组负责相应功能的知识源系统在“管理者”的协调控制下，对领域黑板上的当前零件信息模型进行操作。文献【11】给出了面向并行工程的CAPP体系结构及零件建模、环境建模等模块的结构。文献【13】以轴类零件为例，采用了链表作为数据结构表示零件的形状特征等，但距离实用还有一定的差距。4、DFX：在这一领域中，主要集中于DFM和DFA这两个方向上。面向制造的设计(DFM)是并行工程中最重要的研究内容之一，它是指在产品设计阶段尽早地考虑与制造有关的约束（如可制造性），全面评价产品设计和工艺设计，并提出改进的反馈信息，及时改进设计。在DFM中包含着设计与制造两个方面，传统上制造都是考虑设计要求的，但是设计考虑制造上的要求不够充分，在DFM中必须充分考虑制造要求，一般通过可制造性评价来实现【14】【15】。面向装配的设计（DFA）与DFM类似，它是将可装配性在设计时加以考虑,设计与装配在计算机的支持下统一于一个通用的产品模型，来达到易于装配，节省装配时间、降低装配成本的目的【16】。5.并行工程集成框架：所谓集成框架就是使企业内的各类应用实现信息集成、功能集成和过程集成的软件系统。主要包括基于思想模型的辅助决策系统、支持多功能小组的多媒体会议系统、计算机辅助冲突解决的协调系统等。一般可以采用多媒体技术、客户服务器模型进行开发，但在知识共享、多领域数据信息转换、设计意图表达等方面还没有找到切实可行的办法，建立一个包括信息集成、工具集成和人员集成的理想网络环境仍是一个长期的努力过程。6、冲突消解及知识处理、协同：在并行工程中产品的早期涉及阶段能够得到的信息大多是模糊和不确定的，仅仅运用经典数学的精确方法来处理往往不能真实地反映客观世界的现实，具有很大的局限性，由美国自动控制专家L.A.Zadeh创立的模糊集理论在处理定性和模糊的知识方面显示了强大的生命力，因此将模糊集理论应用于并行工程中的知识协同处理取得了良好的效果【10】。文献【18】提出的一种新的设计知识的表示方法棗资源模型，对资源和资源间的运算关系进行了定义，对多功能小组、任务并行执行、质量管理、知识重用等进行了描述。7、面向并行工程企业的体系结构和组织机制：主要包括人的集成（客户、设计者、制造者和管理者）、企业各部门功能集成、信息集成及设计、制造工具集成的组织机制。8、并行工程中产品开发过程的管理。9、仿真技术在企业各部门及产品开发过程中的应用。10、质量工程的研究：主要包括田口(Taguchi)方法、全面质量管理(TQC)及质量功能配置(QFD)。我国的研究工作主要集中在高校中，据不完全统计如下表所示：单位名称主要研究方向清华大学面向CE的CAD/CAPP/CAM的集成研究、DFM等华中理工大学并行设计的零件信息模型、面向CE的设备环境建模等上海交通大学面向CE的集成化设计信息模型及决策信息模型、DFA等北京航空航天大学CE中过程建模、过程管理及通讯技术研究等西安交通大学CE的过程模型与并行品质评价等西北工业大学并行工程中的模糊知识（信息）协同方法、QFD等北京理工大学面向CE的协同工作环境等天津大学智能工程知识处理及并行设计支持环境等五、结束语通过对比国内与国外的研究情况，我们发现目前我国并行工程的研究工作主要存在以下一些问题：(1)研究的广度和深度不够：虽然并行工程的研究工作已经广泛开展，但是无论从研究的内容上看，还是从研究的水平上说都明显存在差距。如：并行工程在成本和质量上的应用才刚刚起步，与供应商的集成问题还没有提上日程。(2)与并行工程有关的技术实用化不够：在实用技术研究方面，目前还没有商品化软件诞生，而国外公司（如：PTC的Pro?/FONTEngineering、CV的CADDS5）已经推出商品化软件。(3)并行工程的实施队伍不够：由于科研力量薄弱，在研究上还不能全面开花，并行工程的实施就更是难上加难了。而且，当前国内机械行业在激烈的市场竞争中经济效益不好，CAD/CAM技术还有待普及，全面实施并行工程还缺乏基本的物质基础。综上所述，并行工程的实施将从根本上改变现行的制造模式，在国外已经取得了大量的成功应用，对此我们必须引起高度重视，跟踪世界先进水平开展适合我国国情的研究工作，为并行工程在我国的广泛应用打下坚实的基础。主要参考文献1.W.I.Winneret.“TheRoleofConcurrentEngineeringinWeaponsSystemAcquisition”,IDAReportR-338.AD-A203/615,Dec,19882.SohlenlusGetal.ConcurrentE