基于集成設(shè)計和過程技術(shù)的產(chǎn)品開發(fā)

1、基于集成設(shè)計和過程技術(shù)（IDPT）的產(chǎn)品開發(fā)過程管理研究¶ 本文是國家863/CIMS重點應(yīng)用工程研究課題資助項目胥悅紅· 胥悅紅,女,博士 通訊地址(100039)北京市玉泉路19號（甲） 中科院研究生院管理學(xué)院。(中科院研究生院100039)謝飛（天津大學(xué)管理學(xué)院300072）摘要 本文在將傳統(tǒng)的開發(fā)過程管理模式與基于IDPT的產(chǎn)品開發(fā)過程管理思想進行比較后, 總結(jié)了基于IDPT的產(chǎn)品開發(fā)過程管理新模式對制造業(yè)發(fā)展的推動.進而闡述了基于IDPT的過程管理方法論,概括了IDPT理念在現(xiàn)有的產(chǎn)品開發(fā)過程管理中的應(yīng)用.最后得出傳統(tǒng)制造業(yè)的提升,必須依靠集成理念的貫徹和發(fā)揚的結(jié)

2、論.關(guān)鍵詞 集成設(shè)計和過程技術(shù)(IDPT) 產(chǎn)品開發(fā)的過程管理 制造業(yè)1 引言當(dāng)今在世界范圍內(nèi)制造業(yè)正在經(jīng)歷巨大的變革和分化，層出不窮的制造模式和理論成為醫(yī)治傳統(tǒng)制造業(yè)痼疾、孕育制造企業(yè)新生的一張張?zhí)幏健Ｔ谶@種情況下，剖析理念、透視本質(zhì)，就成為判別理論是否可信、是否可取的重要標(biāo)準(zhǔn)。任何忽略產(chǎn)品與過程的結(jié)合、融合及互補；違背系統(tǒng)集成理念的；突出單一側(cè)面的理論和模式，或是深奧的純技術(shù)解決方案都不可能取得成功。必須把握先進制造模式的核心理念，以集成的思路處理現(xiàn)代制造業(yè)創(chuàng)新開發(fā)中的基本問題。產(chǎn)品的開發(fā)過程管理包括硬件技術(shù)和軟件技術(shù)兩大范疇。硬件技術(shù)包括從設(shè)計、運行到控制的各環(huán)節(jié)的技術(shù)；軟件技術(shù)則是指經(jīng)

3、營、管理、購銷等方面的問題。2 傳統(tǒng)的開發(fā)過程管理模式 傳統(tǒng)的開發(fā)過程管理模式中的硬件技術(shù)和軟件技術(shù)的設(shè)計和策劃都是分散的、相互孤立的，各環(huán)節(jié)間存在銜接障礙，主要表現(xiàn)為：（1） 只從物流角度考慮，缺乏能量綜合優(yōu)化（特別在大系統(tǒng)范圍內(nèi)）；（2） 只考慮（原料、產(chǎn)品等）給定條件，缺乏柔性考慮（適應(yīng)各種變化條件下的操作）； （3） 對環(huán)保要求考慮治理多，考慮減少污染物生成少；（4）只考慮給定條件下的常規(guī)運行和控制，缺乏設(shè)計、操作、控制總體優(yōu)化的考慮；（5）只考慮現(xiàn)實技術(shù)經(jīng)濟條件，不考慮未來發(fā)展變化的壓力例如，迄今在流程工業(yè)新產(chǎn)品開發(fā)過程中，在擴大生產(chǎn)能力、調(diào)整生產(chǎn)流程和產(chǎn)品方案、節(jié)能改造、磨損或腐蝕

4、設(shè)備的更新、污染的治理和控制、安全等方面的投資決策，仍然是分別地、各個孤立地考慮、安排和進行，并且是由不同的上級部門主管；不同的職能部門建議、計劃、組織和實施的，這必然造成資金及各種企業(yè)資源的浪費和經(jīng)濟效益的減少。過去的格局，特別形象地強調(diào)了“扔過墻”的概念及明顯的按順序進行和各環(huán)節(jié)相互隔離的特征。在這種格局下，設(shè)計人員仍處于傳統(tǒng)意識-只有在自己的設(shè)計方案完全“成熟”后，才愿意交給下游部門。這造成由于工藝人員事先未參與，因此需花很長時間去理解和消化設(shè)計圖紙，因而導(dǎo)致時間的無謂損失和交接上的曲解。3 基于IDPT的新產(chǎn)品開發(fā)過程管理思想3.1 什么是IDPT？集成設(shè)計和過程技術(shù)是指將硬件技術(shù)和軟

5、件技術(shù)的設(shè)計、規(guī)劃和實施本身相互銜接、統(tǒng)籌考慮并集成為一個過程。對于離散的生產(chǎn)行業(yè)，ing在在敏捷制造環(huán)境中的產(chǎn)品設(shè)計和進化一文中闡述了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計和制造。包括面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫-面向?qū)ο蟮姆椒〝?shù)據(jù)庫和動態(tài)的、面向?qū)ο蟮漠a(chǎn)品數(shù)據(jù)庫。通過對每個零部件的結(jié)構(gòu)、功能及其演化的分析和歸納，使設(shè)計者可靈活地借用不同組合使產(chǎn)品滿足用戶的不同要求，從而使設(shè)計逐漸科學(xué)化。與此同時，制造業(yè)的生產(chǎn)和人員的管理；原材料的采購、運輸、供應(yīng)；產(chǎn)品的儲存、銷售及市場動態(tài)的監(jiān)測等整個過程，都借助于計算機的應(yīng)用而逐步實現(xiàn)科學(xué)的集成。以求用最小的基礎(chǔ)設(shè)施投資、最小的運行費用，生產(chǎn)出最適合市場需要、最有競爭力的產(chǎn)品。3.2 基于

6、IDPT的新產(chǎn)品開發(fā)的過程管理新模式基于IDPT的新產(chǎn)品開發(fā)的過程管理新模式不僅在硬件技術(shù)范圍內(nèi)從設(shè)計到操作和控制、從物料流到能量流和信息流的集成考慮，而且在軟件技術(shù)中考慮人流、資金流和備件流的集成。這包括從技術(shù)、規(guī)劃、計劃、調(diào)度、質(zhì)量、能源、環(huán)保、設(shè)備到組織、人事、財務(wù)、供應(yīng)、運輸、銷售、市場預(yù)測等方面的管理措施。如柔性設(shè)計就是要在設(shè)計時便充分考慮和保證為適應(yīng)市場情況千變?nèi)f化而能采取各種軟件技術(shù)措施，并且在實際運行中始終進行優(yōu)化的綜合集成。4 基于IDPT的產(chǎn)品開發(fā)過程管理新模式對制造業(yè)發(fā)展的推動IDPT在產(chǎn)品開發(fā)過程管理中帶來制造理念上的更新，即：協(xié)調(diào)配合、縮短周期和互補提升。推進產(chǎn)品與過

7、程集成理念的最大目標(biāo)在于為制造業(yè)各技術(shù)領(lǐng)域或先進制造模式增加更具科學(xué)性和規(guī)律性的理性概括和描述，使其運用傳播工作更具有戰(zhàn)略層次的高度自覺性。伴隨著這些理念上的更新，對制造業(yè)發(fā)展的推動體現(xiàn)在以下方面：·協(xié)調(diào)配合-相互溝通，減少矛盾、減少差錯和返工；·縮短周期-早期介入、強化反饋、及早準(zhǔn)備、加快完成；·互補提升-各部門互相補充和加強了解，并充分發(fā)揮自身及對方的長處和優(yōu)勢。有資料表明，美國的一個知名公司，通過采用設(shè)計、制造和質(zhì)量管理的集成，降低測量費用50%，設(shè)備調(diào)整費用40%，返工費用90%。為更充分地發(fā)揮集成的優(yōu)勢，從集成設(shè)計方面看，應(yīng)具備的能力：一是對過程友好的解

8、決方案，如可制造性；二是無差錯設(shè)計；三是快速解決問題的能力。而從過程技術(shù)方面看，應(yīng)具備的能力：一是根據(jù)設(shè)計意圖進行預(yù)見的能力；二是駕馭適度風(fēng)險的能力；三是處置意外變化的能力。有了這些能力和相互關(guān)系，集成設(shè)計和過程技術(shù)自然就不再是一加一的簡單疊加，而是蘊含著系統(tǒng)優(yōu)化的能力倍加，也就是質(zhì)的升級。5 基于IDPT的過程管理方法論集成設(shè)計和過程技術(shù)是對傳統(tǒng)工程學(xué)和傳統(tǒng)管理科學(xué)的挑戰(zhàn)。它的目標(biāo)是將產(chǎn)品開發(fā)中的硬件技術(shù)和軟件技術(shù)的集成優(yōu)化由依靠經(jīng)驗和技巧走向科學(xué)和技術(shù)。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，在方法論上應(yīng)借助各學(xué)科基礎(chǔ)的支持體現(xiàn)在以下三點： （1）各學(xué)科和領(lǐng)域（包括所有硬件技術(shù)和軟件技術(shù)）、所有單元和局部的創(chuàng)新和

9、改進，無疑使整個系統(tǒng)內(nèi)涵的所有方面和人們對系統(tǒng)實質(zhì)的認識和描述能力，都遠遠超過任何時候，而且還在不斷改進提高。對對象本身的深刻理解和描述，為建立起全面而正確的模型提供了可能。 （2）信息科學(xué)的飛速發(fā)展，包括硬件和軟件技術(shù)的不斷創(chuàng)新，尤其是面向?qū)ο螅∣bject Oriented）概念或技術(shù)的創(chuàng)立，提供了強大的技術(shù)支持；人工智能（Artificial Intelligence）的開發(fā)和應(yīng)用，在處理模糊的、離散的和其它用經(jīng)典的數(shù)學(xué)方法不能處理和描述的對象和問題上發(fā)揮了強大的作用。 （3）系統(tǒng)工程與應(yīng)用數(shù)學(xué)，包括各種最優(yōu)化技術(shù)、數(shù)學(xué)規(guī)劃、遺傳算法、模糊邏輯等，在處理龐大、復(fù)雜的對象系統(tǒng)的集成優(yōu)化問題

10、上，是可充分運用和借鑒的工具。在上述各學(xué)科基礎(chǔ)上進行的集成設(shè)計和過程技術(shù)的研究開發(fā)，極其強調(diào)多學(xué)科的交叉協(xié)同（Interdisciplinary Symbiosis）。這種交叉協(xié)同決不是各種方法的簡單移植或套用，而是密切結(jié)合深入研究對象系統(tǒng)本身來探索過程科學(xué)與工程的共性科學(xué)規(guī)律，從中創(chuàng)立和發(fā)展出新的交叉學(xué)科或在原有的學(xué)科中建立新的分支領(lǐng)域。例如，在制造業(yè)的集成設(shè)計和過程技術(shù)研究中，針對產(chǎn)品和工件的離散性特點，就需運用面向?qū)ο笏枷?，研究和開發(fā)離散動力系統(tǒng)、離散數(shù)據(jù)系統(tǒng)技術(shù)；在過程系統(tǒng)能量綜合（集成）研究中，需基于熱力學(xué)和經(jīng)濟學(xué)研究，開發(fā)建立沿能量流的線索描述的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型等。6 IDPT理念在現(xiàn)

11、有的產(chǎn)品開發(fā)過程管理中的應(yīng)用6.1 基于資源模型的CAPP/PPS集成在產(chǎn)品開發(fā)中，工藝準(zhǔn)備活動（如夾具的準(zhǔn)備、刀具的組裝與調(diào)整等）需要一定的時間，按資源實時狀態(tài)生成的工藝將因此而無法立即實施，而應(yīng)基于預(yù)計的資源能力選擇資源才具有實際意義。為此，CAPP中與時間因素?zé)o關(guān)的零件工藝分析等活動可較早完成，這也是CE環(huán)境下CAD與CAPP實現(xiàn)功能集成及DFM（面向制造的設(shè)計）的要求；資源狀況隨時間變化，應(yīng)在滿足生產(chǎn)準(zhǔn)備時間要求的前提下，盡可能把資源決策靠后，即縮短資源決策與工藝實施間的時間，使得PPS（產(chǎn)品計劃和順序）有更大的柔性，易于獲得全局優(yōu)化。這種分布式的工藝設(shè)計方法是CE（并行工程）環(huán)境下C

12、APP的一個重要發(fā)展方向。資源模型在產(chǎn)生可選工藝方案的工藝匹配及資源決策中發(fā)揮作用，見圖1 圖1 資源模型在CAPP/PPS中的作用6.2 CAPP與CIMS各子系統(tǒng)的信息集成CAPP是連接CAD和CAM的橋梁，它起著從CAD中提取幾何信息和工藝信息、經(jīng)過工藝決策，生成供NC編程用的接口文件，向CAM提供信息的作用。CAPP與CIMS各子系統(tǒng)的信息集成關(guān)系如圖2所示 圖2 CAPP與CIMS各子系統(tǒng)的信息流圖6.3 產(chǎn)品全壽命周期工程設(shè)計產(chǎn)品全壽命周期工程設(shè)計是一種在設(shè)計階段就考慮整個產(chǎn)品壽命周期內(nèi)價值的設(shè)計方法。這些價值不僅包括產(chǎn)品所需的功能，還包括產(chǎn)品的可生產(chǎn)性、可裝配性、可測試性、可維修

13、性、可運輸性、可循環(huán)利用性和環(huán)境友好性。傳統(tǒng)設(shè)計主要考慮以成品為終點的產(chǎn)品的性能和價格。全壽命周期設(shè)計為設(shè)計帶來了一個新的概念-設(shè)計對象是一個時變系統(tǒng)。傳統(tǒng)設(shè)計是把產(chǎn)品當(dāng)成是時不變系統(tǒng)。面向制造的設(shè)計只保證加工質(zhì)量，即制造出來得新產(chǎn)品符合質(zhì)量檢驗標(biāo)準(zhǔn)，而不考慮使用以后性能隨時間變化的規(guī)律。設(shè)計時變系統(tǒng)，不僅設(shè)計工程師要知道設(shè)計對象的時變規(guī)律，而且還要讓用戶隨時知道產(chǎn)品使用中當(dāng)前的狀況。因此，對于重大產(chǎn)品，具有狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷子功能是設(shè)計時必須考慮的。同時，對于要求狀態(tài)穩(wěn)定的產(chǎn)品，狀態(tài)補償和控制子系統(tǒng)也將在未來的產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用。6.4 并行工程、DEF和成組技術(shù)并行工程最出色地實現(xiàn)和體現(xiàn)了

14、產(chǎn)品和過程的集成。面向下游的設(shè)計技術(shù)（DEF）中，有許多是過程導(dǎo)向的設(shè)計技術(shù)，如為制造而設(shè)計、為裝配而設(shè)計、為檢測而設(shè)計等，其核心思想也是推進設(shè)計和制造的有機結(jié)合和整體優(yōu)化。成組生產(chǎn)布局，能夠?qū)a(chǎn)品技術(shù)和過程技術(shù)最好地結(jié)合起來，在相對獨立的工作單元中，作到最大限度的靈活、快捷、高效率，是今后現(xiàn)代工廠布局的主要發(fā)展方向。并行工程、DEF和成組技術(shù)，都是運用產(chǎn)品與過程集成理念的最基本的解決方案，也是進一步邁向虛擬制造、快速原型制造、全系統(tǒng)精益生產(chǎn)、敏捷制造等的基礎(chǔ)，而這些已經(jīng)取得一定效果的先進制造模式也都以系統(tǒng)解決的特征融合了各種先進制造技術(shù)、組織和方法，使產(chǎn)品和過程的集成得到更完善的體現(xiàn)。7 結(jié)

15、論面向二十一世紀(jì)，傳統(tǒng)制造業(yè)正在經(jīng)歷一次脫胎換骨的根本性大調(diào)整，并由此實現(xiàn)整個產(chǎn)業(yè)由粗放轉(zhuǎn)向集約、由適應(yīng)短缺型經(jīng)濟時代的計劃管理模式轉(zhuǎn)向適應(yīng)知識經(jīng)濟時代的產(chǎn)品個性化、管理特色化的新型知識型制造業(yè)。這樣一種具有劃時代意義的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化和提升，將在很大程度上得益于集成理念的貫徹和發(fā)揚。這對于充分運用信息技術(shù)提高產(chǎn)品和服務(wù)的技術(shù)水平和知識含量，對于快速響應(yīng)和適時滿足用戶的高層次個性化需求，對于合理組織開發(fā)、生產(chǎn)和營銷、實現(xiàn)低代價高效益滿足客戶，都是必不可少的有效措施和重要途徑。參考文獻1 Dorothy Leonard-Barton. “Core Capabilities and Core Rigidi

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