（管理科学与工程专业论文）面向mpm的制造数据建模与工艺程序优化研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：二也雌 日 期：j 丛毕 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的e p 届, j 件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：墨羞鲫导师签名： 日期： 山东大学硕士学位论文 摘要 随着市场竞争的日益激烈和现代信息技术的迅速发展，越来越多的制造企业 开始借助信息化手段提升自己的综合竞争力，这些信息化技术和方法也逐渐从单 个部门扩展到企业集团，从生产经营的某个阶段扩展到产品生命全周期，比如 c a x p d m p l m e r p c r m s c m 等系统的发展与应用。 目前企业应用相对成熟的信息平台是产品信息平台和资源信息平台，前者以 c a x p d m 为代表，用计算机辅助产品设计过程，管理产品设计数据，解决了企 业经营中“做什么”的问题：后者以e r p 系统为代表，是对实际生产过程中人、 财、物、时问等资源的合理配置，解决了“何时何地由谁做”的问题。但是在两 个信息平台之间存在着一个鸿沟工艺信息的管理，即如何解决“如何制造” 的问题。目前普遍的做法是通过c a p p 系统辅助工艺人员进行工艺规程的设计， 其中的工艺信息也丰要以各种工艺卡片的形式存储和管理，这种方法不能解决工 厂、车间、生产线的布局问题，而且“卡片式”的工艺信息管理模式大大割裂了 信息之间的关联，也不能利用信息之间的关联进行有效地工艺过程、操作过程、 生产布局、物流平衡的优化分析。 本文提出了基于工业工程思想的制造过程管理( m p m ) 系统满足当今企业 工艺信息化的需求，本系统以产品相关数据尤其是制造过程数据为基础，根据虚 拟制造原理和工业工程技术方法，在计算机环境中，辅助工程师对整个生产过程 ( 包括制造系统和制造工艺) 进行规划、设计、仿真、评估和优化，并将所得的 工艺信息扩展到整个产品生命周期的各个阶段和部门，为了实现m p m 系统，本 文丰要做以下几方面的研究： ( 1 ) 深入分析制造过程管理相关理论前沿与技术方法；( 2 ) 分析我国企业 的现状和实际需求，提出适合我国国情的制造过程管理系统体系架构以及功能架 构：( 3 ) 深入分析制造过程管理系统的底层数据之间的关联关系，建立产品、工 艺、车间、资源之间的实体关系图，并设计主要的数据库表；( 4 ) 对制造过程管 理的优化分析模块尤其是工艺程序分析子模块进行详细分析和设计，给出工艺程 序图牛成和工艺程序优化的处理逻辑，并根据工艺程序图汇总工艺信息、进行生 产线平衡以及物流优化分析；( 5 ) 以某企业的某种产品为例，对本课题所提出的 数据关联和工艺优化分析进行实际应用。 关键字：制造过程管理制造数据结构数据建模优化分析系统架构 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t l o n g w i t ht h ei n c r e a s i n gi n t e n s if i c a t i o no fm a r k e tc o m p e t i t i o na n dr a p i d d e v e l o p m e n to fi t , m o r ea n dm o r ec o r p o r a t i o n sb e g i nt oa d v a n c et h e i ri n t e g r a t e c o m p e t e n c eb yi tw h i c hh a sb e e ni m p l i e df r o ms i n g l ed e p a r t m e n tt o t h ew h o l e e n t e r p r i s e ，a n df r o mac e r t a i np h a s et ot h ew h o l e lif e c y c l eo f p r o d u c t i o n ，s u c ha st h e d e v e l o p m e n to fc a x p d m p l m e r p c r m s c m a tp r e s e n t ，t h er e l a t i v e l ym a t u r ei n f o r m a t i o np l a t f o r m sa p p l i e da r ep r o d u c t i n f o r m a t i o np l a t f o r ma n dr e s o u r c ei n f o r m a t i o np l a t f o r m t h er e p r e s e n t a t i o n so ft h e f o r m e ra r ec a x p d mw h i c ha i de n g i n e e r e r st o d e s i g na n dm a n a g ep r o d u c t i n f o r m a t i o ni no r d e rt os o l v et h eq u e s t i o no f “w h a tt om a k e ”；a n dt h er e p r e s e n t a t i o n o ft h el a t t e ri se r pw h i c ha i dm a n a g e r st o d e p l o ye n t e r p r i s er e s o u r c e l i k e h u m a n ，m o n e y , m a t e r i e l ，t i m ea n ds oo nt os o l v et h eq u e s t i o no f “w h e n w h e r e t od o ” b u tt h e r ei sag a pb e t w e e nt h ea b o v et w op l a t f o r m s 一一p r o c e s si n f o r m a t i o n p l a t f o r mw h i c hi sa b o u tt h eq u e s t i o no f “h o wt om a k e ”n o w a d a y s ，m o s tc o m p a n y a d o p tc a p pt oa i dt op l a np r o c e s s ，i nw h i c ht h ei n f o r m a t i o ni ss t o r e da s “c a r d p a a e r n ”i nt h a tw a y , t h er e l a t i o nb e t w e e ni n f o r m a t i o nh a sb e e nd i s t o r y e d ，s oi tc a n t a i dt of a c t o r yp l a n n i n ga n do p t i m i z ea n a l y s i s t h ep a p e rp u t sf o r w a r dap r o c e s si n f o r m a t i o np l a t f o n n 一一m a n u f a c t u r i n g p r o c e s sm a n a g e m e n t ( m p m ) s y s t e mt om e e tt o d a y sn e e d s m p mi sb a s e do nt h ed a t a r e l a t i v et op r o d u c te s p e c i a l l yt op r o d u c tm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ，w h i c hi n t r o d u c e st h e v i r t u a lm a n u f a c t u r i n gp r i n c i p l ea n di n d u s t r i a l e n g i n e e r i n g ( i e ) m e t h o d st o a i d e n g i n e e r st op l a n ，d e s i g n ，s i m u l a t e ，e v a l u a t ea n do p t i m i z et h ew h o l em a n u f a c t u r i n g s y s t e m ( i n c l u d i n gp r o c e s sa n dl a y o u t ) t or e a l i z et h em p ms y s t e m ，t h i sp a p e rm a i n l y d o e st h ef o ll o w i n gs t u d y ( 1 ) d e e p l ya n a l y s i s a d v a n c e dt h e s i sa n dt e c h n o l o g yr e l a t i v et om p m ；( 2 ) r e s e a r c ht h ea c t u a l r e q u i r e m e n t so fe n t e r p r i s e ，e s t a b l i s h t h ep r o p e rs y s t e m f r a m e w o r ka n df u n c t i o ns t r u c t u r e ；( 3 ) e s t a b l i s ht h eu n i f o r mm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s d a t as t r u c t u r em o d e l e b o p ( e - b i l lo fp r o c e s s ) w h i c hc o n t a i n sf o u rm a i no b j e c t ss u c h a sp r o d u c t 、p r o c e s s 、p l a n ta n dr e s o u r c e t h ed a t am o d e lc a nd e s c r i b ea 1 1k i n d so f r e l a t i o n s h i pb e t w e e nd i f f e r e n td a t ai nm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ；( 4 ) d i s c u s s e sh o wt o a u t o g e n e r a t ep r o c e s sc h a r ta c c o r d i n gt op r o c e s sd a t a b a s eo fm p m ，h o wt o a s s i s t a n a l y s i st h r o u g hk n o w l e d g ed a t a b a s ea n dr e g u l a t i o nd a t a b a s eo fm p m ，a n de s t a b l i s h r e l e v a n tl o g i c a lp r o c e s sm o d e l ；( 5 ) u s e sac a s et oi l l u m i n a t et h ea c t u a la p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s d a t am o d e l i n g ，o p t i m i z ea n a l y s i s ， 6 m a n a g e m e n t ，m a n u f a c t u r i n gd a t as t r u c t u r e s y s t e mf r a m e w o r k 山东大学硕士学位论文 曼蔓曼皇曼皇i：= | =i：鼍!曼曼!曼曼喜 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 全球化竞争的d r i , 居l l 、产品的多样性、设计制造周期缩短以及客户化定制生产 方式的形成，给制造业带来了越来越大的竞争压力，信息化成为他们提升创新能 力、保证产品质量、加快响应速度、达到顾客满意的有效于段。 制造业信息化就是将信息技术、自动化技术、现代管理技术与制造技术相结 合，带动产品设计方法和工具的创新、企业管理模式的创新、企业间协作关系的 创新，实现产品设计制造和企业管理的信息化、生产过程控制的智能化、制造装 备的数控化、咨询服务的网络化，以全面提升制造业企业的竞争力。 制造业信息化的主要内容是：设计数字化、制造装备数字化、生产过程数字 化、管理数字化和企业数字化。( 1 ) 设计数字化技术是实现产品设计手段与设计 过程的数字化，缩短产品开发周期，提高企业的产品创新能力；( 2 ) 制造装备数 字化技术是实现加工和装配的自动化和精密化，提高产品的精度和加工装配的效 率；( 3 ) 生产过程数字化技术是实现生产过程控制的自动化和智能化，提高企业 生产过程自动化水平；( 4 ) 管理数字化技术是实现企业内外部管理的数字化和最 优化，提高企业管理水平；( 5 ) 企业数字化技术是实现全球化环境下的企业内外 部资源的集成和最佳利用，促进制造企业的业务过程、组织结构与产品结构的调 整，提高企业、区域和行业的竞争能力陀1 。 从制造业信息化应用系统来看，目前应用较多的是以单元辅助工具为主的 c a x ( c a d c a e c a p p c a m ) 技术、以产品数据与过程管理为主的p d m p l m 系统、以资源计划为主的m r p i i e r p 系统、以车间控制为丰的m e s 系统、以外 部供应链资源整合为主的s c w c r m 系统以及企业间的协同平台电子商务系统。 这些应用系统可以将企业运作的各部分、各环节牛成的信息紧密地“链接”在一 起，从最高管理层到最基层，从产品设计到生产、库存、销售，从上游的采购、 仓储到下游的售后服务，实现对全部流程的支持和监控，使物流、信息流、资金 流通畅运行。 就企业内部的信息化来说，制造业的信息平台应该包括三方面( 如图1 1 所 示) 。 山东大学硕士学位论文 产品设计制造t 程资源管理 c a d p d m 制造过程管理m p m “如何缈 “何时何地 “做什么” 匦 做 丽图网 ，一 一一一 弋圃7 一 、) 、产品结构l _ 、旦垂阎回奥， 图1 - 1 制造企业信息甲台的组成 ( 1 ) 产品信息平台：产品信息包括零件的几何信息和相互间的装配关系信 息，这部分信息主要由c a d 软件和p d m 软件生成、处理和存储。对于制造企 业，它的任务是解决“制造什么( w h a t ) ”的问题。 ( 2 ) 资源管理信息平台：资源管理信息起源于库存管理，随后不断扩展到 生产计划、供需链、财务、人力资源以及客户关系等领域，它的核心是主生产计 划。对于制造企业，资源管理信息的任务是解决“在什么时候( w h e n ) 制造”和“在 什么地方( w h e r e ) 带l j 造”的问题。企业资源计划( e n t e r p r i s er e s o u r c ep l a n n i n g ) 是 处理这类信息的典型软件。 ( 3 ) 工艺信息平台：工艺信息是与生产工程有关的信息，包括工艺方法和 工序安排信息、生产资源、生产组织、企业的k n o w h o w ( 技术秘密) 等，其任务 是解决“如何制造( h o w ) ”的问题。现阶段这类信息主要由c a p p c a m 系统完成 部分管理。 目前大多数制造企业已经实施了或正在实施c a x 、p d m 和e r p 系统，有 的企业已经开展了以p d m 为基础、集成c a x 和e r p 构成企业信息化平台的工 作。其中，c a x 系统辅助企业形成了完善的产品结构，e r p 则以订单为驱动形 成了企业完整的后勤链管理m ，。然而，在工艺信息平台方面，已经建立或着手建 立完善的制造工艺信息的企业还不多见。多数企业已开始实施c a p p 系统，但只 是卡片式的计算机辅助工艺编制工具，仅仅将工艺人员从繁忙的工艺设计任务中 解放出来，对工艺信息的管理功能很薄弱，更谈不上对生产组织、制造资源的规 划、生产线物流及工艺的优化验证，所以根本算不上工艺信息平台。 工艺作为设计与制造的桥梁，在企业信息系统中有着承上启下的重要作用， 缺少工艺信息的系统是不完整的。制造企业在实施信息系统的过程中，也逐渐认 识到缺少工艺平台对企业生产效率的严重制约： ( 1 ) 企业无法将最新的产品设计思想快速地实现并推向市场； ( 2 ) 企业牛产部门很难将工艺数据和设计部门的设计数据统一协调，也无 法将e r p 所需的期量数据准确送达； 山东大学硕士学位论文 ( 3 ) 企业难以实现制造工艺数据在规划阶段与零部件供应商或o e m 的共 享咖； ( 4 ) 企业无法在实际制造之前发现并修正工艺设计的不合理之处： ( 5 ) 企业无法对新工艺及新布局进行优化设计，也无法随着技术提高和规 模扩大对原有工艺及布局进行分析改进。 所以企业目前急需一个完善的制造过程工艺信息平台制造过程管理系 统，来“填充”产品设计与产品制造之间的“鸿沟一，彻底打破传统的。产品设 计后仅仅凭借工艺人员、制造工程师和管理人员的经验知识进行生产工艺安排、 生产计划制定然后直接投产，出现问题只能在生产过程中解决而造成产品上市时 间长、设计和生产不断返工甚至设计的产品无法制造一的局面，解决工厂、车间 和生产线以及产品的设计到制造的转化过程，使设计到生产制造之间的不确定性 降低，提高系统的成功率和可靠性，缩短从设计到生产的转化时间。 本课题所研究的制造过程管理系统以产品全生命周期的相关数据，尤其是制 造过程数据为基础，根据虚拟制造原理和工业工程技术方法，在计算机环境中， 辅助制造工程师对整个生产过程( 包括制造系统和制造工艺) 进行规划、设计、 仿真、评估和优化，并将所得的工艺信息扩展到整个产品生命周期的各个阶段和 部门。 1 2 国内外研究现状 制造过程管理系统通过建立统一的工艺数据库来支持规划和工艺人员完成 复杂生产工程管理和优化任务，是在计算机辅助工程、计算机辅助工艺设计、计 算机辅助生产工程基础上，结合虚拟现实技术、数字化工厂技术和仿真优化技术 发展起来的。 1 2 1 先进制造技术的发展 2 0 世纪中叶以来，以微电子、信息技术为基础，以计算机网络和通信等为 核心的信息技术革命，促使着人类生活、生产方式发生革命性的变化，利用信息 技术改造传统制造业已成为现代制造业发展的必由之路，信息技术已成为现代制 造的技术基础。 2 0 世纪7 0 年代计算机技术的发展推动了计算机辅助设计( c a d ) 、计算机 辅助工艺过程设计( c a p p ) 、计算机辅助制造( c a m ) 、物料需求计划( m r p ) 等工具与系统的开发与实现。2 0 世纪8 0 年代初，以信息集成为核心的计算机集 成制造系统( c i m s ) 的概念开始得以实施，8 0 年代末，以过程集成为核心的并 行工程( c e ，c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) 方法提出了在设计时考虑可制造性、可装 9 山东大学硕士学位论文 配性的工作模式，并出现了产品数据管理( p d m ) 、工作流管理等业务流程的支 持技术。2 0 世纪9 0 年代以来，虚拟现实技术的迅猛发展，促进了虚拟制造( v m ， v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ) 的形成和发展，并推进了敏捷制造、虚拟企业等概念的形 成和实现。先进制造技术的发展极大地拓展了制造活动的深度和广度，急剧地改 变了现代制造业的设计方法、产品结构、生产方式、生产工艺和设备以及生产组 织结构，为制造过程管理系统的出现和发展提供了基础。 1 2 2 制造过程管理系统国内外研究现状 制造过程管理系统目前已成为现代制造领域中一个新的研究应用方向，也是 当前先进制造领域特别是汽车、飞机等复杂产品制造业的研究热点，国内外的研 究学者已对此做了很多的研究工作，并且取得大量成果，从研究内容来看主要表 现在以下几方面： ( 1 ) 制造过程管理基本理论和集成框架的研究； ( 2 ) 制造过程优化分析技术的研究； ( 3 ) 制造数据结构的研究； ( 4 ) 虚拟技术和数字化工厂的研究。 1 2 2 1 制造过程管理基本理论和集成框架研究 制造过程管理基本理论和集成框架是实现制造过程管理的指导思想。国外对 这方面的研究比较深入，并取得了一定的成就。b r i a nj h e n 等人提出运用各学科 的计算机辅助工具来建立制造过程模型n ，；m a n u e lg e y e r 等人提出从广义企业概 念上为产品设计提供一个集成工作环境和为产品优化设计提供一个平台嘲；d a v i d s l y 等人提出了基于b o m 的制造过程管理的解决方案嘲。 另外，国外有实力的软件厂商通过研发和并购，已经形成了完善成熟的商品 化软件，如美国u g st e c n o m a t i x 公司的e m p o w e r ”，和达索公司的d e l m i a e m 都 是经过重组将许多小的专业软件公司组合起来形成的满足数字化工厂需求的制 造过程管理系列套件。这些套件可以实现工厂及生产线规划仿真、工艺规划仿真、 质量控制等功能，目前已在汽车、航空航天、能源、重型设备、制药、电子等行 业广泛应用并创造了可观的效益，如b m w 、f o r d 、h o n d a 、波音公司、欧洲航 天局、a b b 、r o b o t i c s 等。 国内对制造过程管理技术的研究开始于2 0 世纪9 0 年代中期，在国家“十五 8 6 3 课题基于制造资源优化配置的制造过程管理系统的资助下，先后由中国 科学院沈阳自动化研究所、北京航空航天大学、西北工业大学、机械科学研究所 等院校和科研机构开展了相关的制造过程管理研究，主要是针对航空和模具等行 1 0 山东大学硕士学位论文 业的复杂产品制造过程，分析如何有效地整合区域制造资源，并对制造过程进行 监控管理，围绕生产制造过程实施集成制造，最终实现制造各环节的协同，快速 地、低成本、高质量地制造产品。近年来，一些学者基于某一信息化系统( 如 c a p p 、e r p 、m e s 等) 对制造过程管理系统进行了规划和功能实现研究，并取 得一定的成就，如西北工业大学的黄乃康、张振明等人提出c a p p 的集成应该对 产品工艺信息的全面集成和与产品设计、工艺设计和包括生产计划调度的制造过 程信息的集成“”。 目前为止，国内还未出现成熟的m p m 产品，但是少量领先制造业信息化解 决方案供应商也在进行着一些研发探索，比如：c a x a 公司推出了c a x av 5 m p m ( 制造过程管理) 模块，它着眼于改进产品制造过程的管理和控制，具有 订单管理、生产计划管理、工艺设计、车间生产管理等功能；开目公司在二维 c a p p 平台的基础上，扩充了三维c a p p 模块，以实现简单的三维加工工艺设计 和三维装配工艺设计；山大华天软件已经构建统一产品数字化工艺模型，形成 m p m 的底层平台，在此基础上打破传统的工艺设计模式，按照工艺及制造系统 “规划设计分析优化”的模式逐步开展m p m 的研发。 1 2 2 2 制造过程优化分析技术的研究 制造过程的优化是企业生产合理配置资源、降低成本、缩短生产周期的重要 手段，同时也关系到企业的长远发展。制造过程的优化分析从内容上讲包含两个 方面：工艺过程及作业方法的优化分析和生产系统的优化分析。工业工程各种分 析优化技术为制造过程的优化提供了方法依据，两者都可以利用工业工程的基本 思想对系统进行分析改进。 ( 1 ) 工艺过程及作业方法的优化分析研究 工艺过程及作业方法的优化分析结合工作研究和人因工程原理，运用方法研 究技术，进行工作程序、操作程序的分析研究，改进工作流程或作业方法，消除、 减少多余的动作( 如寻找、选择及滞留等) 制定合理的工序结构，然后运用工作 衡量技术确定其相应的标准时间。计算机技术的发展为更好地利用工作研究、人 因工程等技术提供了技术支持。 国外从2 0 世纪6 0 年代就开始进行计算机辅助工业工程的研究，许多知名的 大型软件公司也进行了此类软件的开发，利用统计图表、多媒体等各种有效的辅 助手段，对工作研究中的各个方面进行准确的描述并提供多种分析手段，在制造 企业的具体应用中取得了显著的成果。比较典型的有n l 】i n t e r v a ls y s t e m s 公司推 出的a c c u s t u d y 产品，致力于建立世界级的流程改善软件工具，帮助企业降低运 作成本，并提升企业的服务；n e x g e ne g o n o m i c s 软件公司为全球范围内提供工 山东大学硕士学位论文 1 效学、生物力学的工作分析、工作设计和工作研究系统；a p p l i e dc o m p u t e r s e r v i c e sl n c ( a c s ) 致力于开发和支持全球工作测定软件来满足现代企业不同的 需求，并且提供独特的客户支持；w o r kq u t e c h sw o r k s t u d y + w o r km e a s u r es o f t w a r e 在时间研究和工作抽样研究中采用电子方式采集数据：e a s e 公司推出的工业工 程工具集为制造业企业提供程序分析和作业分析的工具，如各种程序图、人机操 作图、双手操作图等辅助分析图表等，利用“5 w 1 h 提问技术以及工业工程的 “e c r s 分析方法，帮助制造业企业进行作业简化和工作分析，改进生产过程 中不合理的操作方法和操作程序，达到提高效率降低成本的目的。目前，在成熟 的制造过程管理解决方案u g s 的e m p o w e r 和达索的d e l m i a 体系中都包含 了用于程序分析、标准时间制定、人机分析等功能模块，并将它们集成在一个统 一的体系架构中，成为工艺规划设计与优化分析中不可缺少的一部分。这些工作 研究软件系统的设计、开发和应用极大的提高了企业的生产和管理。 在国内，由于长期以来沿用前苏联的工业体系，工作研究的研究和应用方面 尚存在一些问题，主要表现在标准化意识薄弱，工作研究不成体系：技术落后， 仍处于手工状态：缺少实用的相关软件系统等方面。 近年来，工作研究在我国企业内逐渐受到重视并得到应用。如天津大学的李 渭范等介绍了流程分析的基本原理以及在机械工业中应用的思路和方法n a ；上海 交通大学的张志强等以李尔汽车座椅为研究对象，探讨了如何运用工业工程领 域的流程程序分析法对汽车座椅装配线的作业顺序、作业时间、移动距离等进行 分析、改造，从而优化整个装配线的效能、提升了生产效率m ，：西南科技大学的 应琴，朱伏平提出使用工业工程的基本方法流程程序分析和线路图分析来进行作 业场所合理规划和物流的改进n 气浙江工业大学的鲁建厦等通过对某公司电能表 生产装配线的改进，介绍了工作研究中的程序分析、操作分析和动作分析方法在 生产线流程优化改进中的应用n ”。这些实际的应用案例为工作研究在我国的发展 积累了大量的经验。 随着国内企业对基础数据和流程标准化需求的突出，有不少学者和企业也开 展了计算机辅助工作研究方面的探索。例如上海交通大学的张志英针对中国船舶 工业的发展现状、存在的主要问题以上海外高桥造船有限公司为例，开发了计算 机辅助船舶工作研究系统，给出了方法研究和时间研究的应用实施方案；建立了 标准的操作单元，制定动素时间表，形成了适应于船舶生产的m t m 体系。西北 工业大学的张吉楠做了计算机辅助工时定额测算系统开发与研究，研究了如何利 用计算机辅助技术改进工时定额的计算工作，为定额人员提供定额标准管理辅助 工具，完成了总体框架设计以及标准资料管理和定额测算模型管理等两个核心功 能模块的系统实现，。另外一些商业化的工业工程软件也开始面市，如工业工程 1 2 山东大学硕士学位论文 协会推出的工业工程系列软件，北京创时能科技发展有限公司推出的达宝易工业 工程软件等。 山东大学前几届毕业的研究生在做了一系列由浅入深、由粗到细、由局部到 集成的探索与研究。吴永春以制造业为主要研究对象，针对中国制造企业存在的 问题和实施b p r 的不足，作了计算机辅助制造业流程再造系统研究，构建了业 务流程设计的主要框架结构。研；赵秀霞以制造业为主要研究范畴，对计算机辅助 方法与时间研究系统进行了研究与初步设计，制定出了系统的体系结构、信息模 型设计、功能体系结构以及信息分类体系“”；温艳在赵秀霞的基础上在计算机辅 助方法与时间研究系统中作业方法的科学制定和工时定额方面对计算机辅助方 法与时间系统进行了更深一步的研究n m ；张宁在计算机辅助方法与时间研究系统 方面对人机操作分析模块、工作抽样模块进行了深入的分析和研究；在程序分 析方面李学博基于切札做了计算机辅助工艺程序分析研究i r a 。王平用u m l 技 术对计算机辅助工作研究系统进行详细分析和设计，尤其是对人机操作分析模块 进行了详细设计和应用验证盟“。殷复鹏将程序分析技术与工艺设计相结合，分析 和设计了计算机辅助工艺优化设计系统临，；吴梅磊从i v i e s 数据采集的角度探讨 了由m e s 的实时数据自动生成流程程序图并进行分析优化。 ( 2 ) 生产系统的优化分析 生产系统的优化分析是结合设施规划与物料搬运的理论原理，结合相应的方 法与分析技术( 线路图、从制表、相关图等) 对工厂布局、物流线路、工位设计 等进行优化，消除和减少不必要的物料搬运、停滞、等待和拥堵。 在国外，这方面的研究可以追溯到2 0 世纪初，泰罗、甘特、吉尔布雷斯夫 妇在进行工作研究、时间研究、生产控制时已开始关注工厂的设计工作，他们的 注意力主要局限于特定工作场所内工人的活动上，称为操作法工程，目标主要局 限于设备的布置上。甘特的工作进度表，福特的移动装配线给生产管理研究注入 了新的激情，数字和统计在工业生产管理中的应用也有了长足的发展，人们开始 认识到物流在生产管理及工厂设计中的意义，设施规划已在理论及实践上发生蜕 变。2 0 世纪4 0 年代至6 0 年代是设施规划学科的快速发展时期，对工厂设计的 研究已由“工作研究 拓展至物料储运方法与工厂布置研究，即探求工厂内所有 实物相对排列方法。6 0 年代初美国r i c h a r d 缪瑟提出了著名的系统布置设计s l p ( s y s t e ml a y o u tp l a n n i n g ) 和物料搬运系统设计s h a ( s y s t e mh a n d l i n ga n a l y s i s ) 方 法，采用一套图表，如物料流程图、工艺过程图、从至表、作业单位相关图、搬 运路线表等简便实用的分析工具，实用性较强，迄今仍在一般的设施布置设计中 广泛应用。 随着计算机技术的飞速发展，2 0 世纪8 0 年代以来许多学者研究了各种设施 山东大学硕士学位论文 布置的模型及算法，开发出了2 d & 3 d 可视化软件包，使设施规划与设计跃上了 一个新的台阶。其中有代表性的有以下几种：1 ) 工厂物流设施规划及仿真软件 v i s f a c t o r y ，其中面向工业工程的f a c t o r yc a d 模块用于规划工厂布置，f a c t o r y f l o w 模块用于布置分析，集成了物料路径、产量及物料处理数据的真实图纸。 2 ) 工业系统建模与设施规划仿真平台w i t n e s s ，由英国l a r m e r 集团开发，是面 向工业、商业流程的动态系统仿真平台。3 ) u g se m p o w e r 产品中的e m - p l a n t 模块和达索d e l m i a 产品中的v p mp l a n n e r 模块都可以对各种规模的工厂、 生产线进行建模、仿真和优化，分析和优化生产布局、资源利用率、产能和效率。 目前国内企业在新厂建设或老厂改扩建的过程中，多数并没有进行严格的物 流分析，工厂设施规划主要以经验确定和类比方法为主。整个规划过程以手工计 算为主，可调整性差；工程人员的个人经验、喜好在设计过程中占有相当大的比 重，规划受个人因素的影响大；分析都是在二维的图纸上完成的，沟通性不好。一 近几年，国内一些学者或企业也开始着手这方面的研究，主要是应用国外一些成 熟的仿真软件，对企业内物流进行仿真。如：张建铭结合企业的实际需求利用 e f a c t o r y ，将以产品生产为主导的企业物流规划方法应用于某汽车企业，为其建 立了虚拟化的底盘装配线；东南大学张卫德以一条实际生产线为例，利用f l e x s i m 对生产线进行建模和仿真，主要是应用方面。 1 2 2 3 制造数据结构的研究 制造数据结构( m a n u f a c t u r i n gd a t as t r u c t u r e s ) 田堤表达和组织制造对象及 其制造过程的信息体系。制造数据结构包括了制造对象、制造过程和制造环境及 约束等几乎所有的重要数据及它们之间的关系，因而使得制造数据结构成为设计 和实施p d m 、m r p 、m r pi i 、e r p 和其它信息化系统的核心基础。 从出现制造企业的管理信息系统和物料需求计划软件m r p 开始，人们就在研 究制造数据结构，使用最多的是物料清单b o m ( b i l l so f m a t e r i a l s ) ，b o m 是用来描 述产品结构和产品信息的。目前关于b o m 的研究在国内外都很多，大多是统一的 产品数据源和b o m 的多视图转换方面。随着信息化在产品生命周期各个阶段的展 开，简单的b o m 结构已不能满足企业需求，因为b o m 只解决了“制造什么 的问题， 而对于“如何制造 和“用什么来制造 ，即对制造过程和制造资源的结构化描 述则缺少规范和标准，因而在很长的时期内显得十分薄弱和混乱。这种局面直到 2 0 0 0 年以后随着数字制造技术的发展，制造数据结构的全面表达才有了比较好的 解决。 在国外，目前表达制造过程和制造资源结构的方法渐趋一致，尽管有不同的 名称，如t e c n o m a t i x 的e b i l lo fp r o c e s s e s ( e b o p ) ，d a s s a u l ts y s t e m s 的p p rh u b 1 4 山东大学硕士学位论文 一 曼i i 一 _ -皇皇曼曼曼曼曼曼量曼量 ( p r o d u c t , p r o c e s sa n dr e s o u r c e sh u b ) 、l e a ne r p 的集合b o m ( a g g r e g a t eb o m ) 等，但都采用了与产品b o m 的树型结构相类似的方法。即采用层次结构的组织方 式，采集汇总某一个产品在制造过程中的所有信息，如按装配顺序排列所有的零 组件，按加工或装配时序排列所有零组件的制造或装配工序、每个工序中的工步 内容、所用的设备、工具、人力资源、工时标准、质量要求和试验过程，以及编 制和执行制造过程制造所需要的信息，如车间布置、成本、生产线的能力和功效、 作业的工作说明书等。也就是说，对传统的b o m 丰富了工艺过程以及相关的制造 系统和资源之间的关联进行表达。 在国内，以前对于工艺阶段的信息化，只是辅助工艺人员进行卡片编辑，工 艺信息也仅以卡片或文件形式存放，为下游e r p 的信息获取与系统集成带来了 重大的麻烦，所以国内不少学者和机构也都开始对工艺信息的表达展开了一系列 的研究。华中科技大学陈永府等提出了中型工艺信息模型，该模型突破卡片或简 单数据表的数据组织模式，强调工艺信息本身以及工艺信息内容之间的内在联系， 有利于数据一致性维护、数据重用、数据交换，以及各工具模块之间数据模型的 统一。具有较强的通用性、完整性、可包容性和可扩充性伽。华中理工大学的张国 军，邵新宇等提出了基于扩展产品结构赋权有向图模型实现p d m c a p p m r p i i 的集成。贵州大学的徐建萍和重庆大学的郭钢建立了基于工艺流程的产品配送 b o m 模型，作为物料配送的依据，实现装配车间生产计划执行前的零部件成套 率控制。对于设计b o m 、工艺b o m 、制造b o m 之间的转换，清华大学的卢 怀静，郁鼎文，张玉峰指出装配工艺是e b o m 与m b o m 区别的信息来源，提出 在c a p p 中进行装配工艺设计的同时，基于e b o m 构造装配b o m 的具体步骤 和细节问题处理方法，以便在装配b o m 的基础上快速得到m b o m ”。华中科技 大学万立，杨煜俊等提出了在集成c a p p 系统中进行b o m 调整的机制，包括过 滤规则、扩充属性集、添加中间件、装配顺序调整、加工路线编制等。北京航 空航天大学的蒋辉，范玉清结合客车实例说明了三种b o m 结构之间的区别与联 系，并提出按工作地划分工艺流程层次的思路。 但是以上所提出的数据模型还存在以下问题： ( 1 ) 对于工艺信息也都提出采用结构化的层次模型来表达，但是对于制造 对象( 产品、零部件) ，制造过程( 工艺过程、工序、工步) 、制造环境( 工厂、 车间、生产线工位) 、制造资源( 设备、工装、工种) 制造系统中的四大要素之 间的关联分析不够，不能为制造过程的分析优化以及计划排产提供准确的信息。 ( 2 ) 没有将工厂和资源也作为对象管理起来，只是把他们当作产品或工艺 的属性信息，这样只能满足工具化的c a p p 功能，而不能满足制造过程管理系统 的需求，因为制造过程管理系统的一个重要特点是优化，没有工厂、资源等对象 1 5 山东大学硕士学位论文 的具体信息，就不能在实际生产之前对工艺和制造方案进行分析评估。 1 2 2 4 虚拟技术和数字化工厂的研究 在对制造过程管理的支撑理论虚拟制造和数字化工厂研究方面，同济大学的 赵荣泳，张浩等从p l m 的角度给出了数字化工厂的定义，并与虚拟制造的概念 和特点进行对比分析研究了两者之间的关系m ，；同济大学的贾晨辉，张浩等从虚 拟制造和仿真技术的角度研究了数字化工厂中数字规划和数字验证技术与实施 步骤，指出数字规划验证的方法可以被看作一种在数字化工厂中的生产规划过程 d m u ( 数字化样机) 哺1 ；湖南省科学技术研究开发院的吴熊光，杨亮等介绍了虚 拟制造技术在产品制造和数字化工厂中的应用；华东交通大学的周新建，潘磊 提出了数字化工厂的体系结构，并介绍了虚拟制造技术在其中的应用嘲。 在基于国外先进m p m 软件进行应用分析方面，同济大学的贾晨辉，张浩， 等以u g s 的制造过程管理软件e m p o w e r 的体系架构为例，研究了数字化工 厂的功能特点及其在c a x p d m e r p 信息系统平台中的必要性，提出了完整的 制造企业信息化集成平台；武汉理工大学的彭旺明，张晓川对t e e n o m a t i x 的 e m p l a n t 软件的生产和运输系统模拟功能进行了应用分析，说明了e m - p l a n t 在 离散系统仿真中的优势；同济大学的马玉敏，樊留群等对生产线规划与仿真验 证的步骤做了研究，并介绍了在e m p l a n t 环境下具体的实现技术m ，。 1 2 1 5 结论 可以看出，国内对制造过程管理系统的研究起步比较晚，虽然也取得了一定 的成果，但是与国外先进的水平还是有很大差距，总的来说，还存在以下问题： ( 1 ) 缺乏对制造过程管理系统的整体体系架构和功能结构的深入。制造过 程管理包括了工艺以制造系统规划设计与优化分析、制造执行、资源管理以及质 量管理等一系列内容，并融合了工业工程、并行工程、虚拟制造、仿真技术、知 识管理等先进管理理念和技术，如何将制造过程管理系统化、平台化是需要进一 步研究的“”。 ( 2 ) 目前国内提出的所谓的制造过程管理系统从本质上说还只是工艺信息 系统，只是从信息管理的角度对制造过程进行管理，并非从工程的角度进行管理 研究，所以并不包括生产布局的规划、物流规划、工艺及物流的分析与仿真验证 等功能。 ( 3 ) 国外的m p m 软件是基于国外良好的工业化基础开发的，但是我国的 国情是，工业化尚不成熟，需要靠信息化带动工业化，这就需要我们的制造过程 管理更加偏重于基础工业工程的功能，比如工艺的优化分析、工时定额等内容。 1 6 山东大学硕士学位论文 i _ i 目| ( 4 ) 制造过程管理系统的产生背景和当前的应用领域都在大型复杂产品制 造型企业，如何构建适应于大多数产品的中小型企业系统也将是一个研究方向。 1 3 论文研究方法及研究内容 1 3 1 研究方法 本课题在实际调查研究和理论综合分析的基础上，对比分析制造企业各类信 息化软件系统，运用工业工程基本思想和原理，对制造过程管理系统进行研究。 采用结构化的系统分析与设计方法，把系统功能逐层分解，完成系统模块结构设 计，建立系统的体系架构和总体功能结构模型，采用面向对象的方法和数据库设 计方法对系统的底层数据进行建模。对某些模块进行单独分析与设计，建立模块 的功能模型、信息模型和处理逻辑流程。最后采用实证的方法对系统的数据模型 和部分功能进行验证。 1 3 2 研究内容 本课题站在生产工程和