（航空宇航制造工程专业论文）数字化工厂及其关键技术研究.pdf

南京航空航天大学博士学位论文 缩略语对照表 英文缩写英文全称中文全称 a i ms t e p a p p l i c a t i o ni n t e r p r e t e dm o d e s t e p 应用解释模型 a m e f a g i l em a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s ef o r u m敏捷制造协会 a i 洲s t e pa p p l i c a t i o nr e f e r e n c em o d e l s t e p 应用参考模型 b a p i b a s i ca p p l i c a t i o np l a t f o r mf o ri n f o r m a t i o n基础应用平台 e x c h a n g ea n di n t e g r a t i o n c a d c o m p u t e ra i d e dd e s i g n计算机辅助设计 c a m c o m p u t e ra i d e dm a n u f a c t u r i n g计算机辅助制造 c a p p c o m p u t e ra i d e dp r o c e s sp l a n n i n g 计算机辅助工艺编程 c ec o n c u r r e n te n g i n e e r i n g 并行工程 c i m c o n t e m p o r a r yi n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g先进集成制造 c i m s c o m e m p o r a r yi m e g m t c dm a n u f a c t u r i n g先进集成制造系统 s y s t e m c o r b ac o m m o n o b j e c tr e q u e s t b r o k e r公共对象请求代理体系结 a r c h i t e c t u r e 构 c o s sc o r b a s e r v i c e s ：c o m m o no b j e c ts e r v i c e sc o r b a 服务规范 s p e c i f i c a t i o n c p c c o u a b o r a t i v ep r o d u c tc o m r f l e r c e 协同产品商务 c r mc u s t o m e rr e l a t i o nm a n a g e m e n t 客户关系管理 d b m sd a t a b a s em a n a g e m e ms y s t e m 数据库管理系统 d e m d y n a m i ce m e r p r i s em o d e l i n g 动态企业建模 d f d i g i t a l i z e df a c t o r i e s 数字化工厂 d f i s d i g i t a l i z e df a c t o r i e si n f o r m a t i o ns y s t e m数字化工厂信息系统 d l i d y n a m i ci n v o c a t i o ni n t e r f a c e 动态调用接口 d s i d y n a m i cs k e l e t o ni n t e r f a c e动态框架接口 d s sd e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m 决策支持系统 e c ae v e n t c o n d i t i o n a c t i o n 事件一条件行动规则 e r o t c a e v e n t - r o l e - o b j e c t - t o o l - c o n d i t i o n - a c t i o n事件一角色一对象一 一具一条 件- 行动规则 e r p e n t e r p r i s er e s o u r c e sp l a n n i n g 企业资源计划 g i o pg e n e r a li m e r o r bp r o t o c o l 通用o r b 问通讯协议 i d li n t e r f a c ed e f i n i t i o nl a n g u a g e 接口定义语言 1 1 0 pi n t e r a c ti n t e r - 0 r bp r o t o c o l i n t e r n e to r b 间通讯协议 i 数字化工厂及其关键技术研究 英文缩写英文全称中文全称 i ti n f o r m a t i o nt e c h n o l o g i e s 信息技术 k b m s k n o w l e d g eb a s em a n a g e m e n ts y s t e m 知识库管理系统 承pm a t e r i a lr e q u i r e m e n tp l a n n i n g 物料需求计划 o ao f f i c ea u t o m a t i o n 办公自动化 o m a o b j e c tm a n a g e m e n ta r c h i t e c t u r e 对象管理体系结构 o m g o b j e c tm a n a g e m e u tg r o u p对象管理组织 o r b o b j e c tr e q u e s tb r o k e r 对象请求代理 p d mp r o d u c td a t am a n a g e r a e u t 产品数据管理 s c m s u p p l yc h a i nm a n a g e m e n t 供应链管理 s t e ps t a n d a r df o r t h e e x c h a n g e o fp r o d u c t 产品模型数据交换国际标 m o d e ld a t a准 s ，a p s i 耵a p i ew o r k f l o wa c c e s sp r o t o c o l 简单工作流访问协议 1 7 皿 u n i f ym o d e t m gl a n g u a g e统一建模语言 v mv n l u a lm a n u f a c t u r i n g 虚拟制造 下mw o r k f l o wm a n a g e m e n t 工作流管理 砸l i cw o r k f l o wm a n a g e m e n tc o a l i t i o n 工作流管理联盟 ，f 略 w o r l d t o wm a n a g e m e n ts y s t e m 工作流管理系统 w t ow o r l dt r a d eo r g a n i z a t i o n 世界贸易组织 南京航空航天大学博士学位论文 摘要 制造业是一个国家国民经济的支柱产业之一。严酷的市场竞争迫使制造企业必须 快速响应市场变化，提高敏捷性。以i n t e m e t 为代表的i t 技术既带来了机遇，更带来 了挑战，基于知识的创新已经成为本世纪制造业的主旋律。t 、q 、c 、s 、i 、e 是廿 一世纪制造企业生存和发展的六要素。 本文在两个国家“8 6 3 ”c i m s 应用示范工程实践的基础上，以徐工集团为背景， 以徐工集团徐州装载机厂为研究实例，解剖了制造企业的主要经营活动，认为提高制 造企业敏捷性需要从四个方面着手：提高自身的敏捷性；通过和外部关联实体协作， 共享物质、信息和知识资源，提高整体的敏捷性：把客户作为重要伙伴：利用i t 技 术支持敏捷性的实现。 在分析制造企业内外实体之间关联关系本质特征的基础上，首次提出了数字化工 厂概念，数字化工厂是一种扩展企业形式，其本质特征是信息、信息流和工作流的数 字化。分析了数字化工厂的含义和运作模式以及对i t 技术的需求。 引入控制视图，首次提出了数字化工厂信息系统的六视图模型结构。初步研究了 将模型结构、面向对象建模、u m l 语言和关联矩阵用于建立数字化工厂信息系统模 型的方法，论述了建模思想。 提出了基于一系列标准的数字化工厂信息系统结构和基础应用平台。从数字化工 厂应用中抽取了十三个公共服务组件和接口。论述了四层结构的基础应用平台，分析 了其对异构性、互操作和资源共享的支持方法。 研究了数字化工厂工作流的特点，首次提出了基于基础应用平台的数字化工厂工 作流管理系统结构，分析了工作原理。研究了工作流控制机制，将事件磅；件行动 ( e c a ) 规则扩展为事件一角色对象工具条件行动( e r o t c a ) 规则，研究了 e r o t c a 的表示方法，研究了数字化工厂工作流动态封装实现方法。 作者结合从事制造企业信息化进程中的体会，从我国国情和应用的角度出发，探 讨了实施数字化工厂信息系统的基本原则和需要注意的问题。 最后，以徐工集团徐州装载机厂为例，分析了数字化工厂和数字化工厂信息系统 的应用前景。 关键词：制造企业i n t e m e t 敏捷性数字化数字化工厂模型结构信息系统 基础应用平台工作流管理 数字化工厂及其关键技术研究 a b s t r a c t t h em a n u f a c t u r i n gc o m p o s e db ym a n ym a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e si so n eo f t h em o s t i m p o r t a n te l e m e n t si nt h ee c o n o m yo fac o u n t r y t h er a p i dg r o w t ha n dq u i c kd e v e l o p m e n t i n f o r m a t i o nt e 汹b g 碗t h a ti sr 卸_ e ：站哦c db yt h ei n t e r a c t 啦b o t ho p p o r t u n i t i e sa n d e l m f l c n g e g ：t h m n o v n t i o n sa n dc o t l a b o m t i o mb a s e do nk n o w l e d g e 韧湾t h ek e yf o rt h e m a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e si n2 1 “c e n t u r y t u n e ，q u a l i t y , c o s t ，s e r v i c e s , i n n o v a t i o n sa n d e n v i r o n m e n t 舯t h es i xc r i t i c a le l e m e n t sf o r 嗣l c c e 胬o fam a 1 u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e t h e m a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e sc o u l dd on o t h i n gb u tk e e pp a c eo ft h ed y n a m i ca n dr a p i d c h a n g e so ft h em a r k e t t oq u i c k l yr e s p o n s et ot h em a r k e tc h a n g e ，t h en n u f a c t u r i n g e m e i p r i s es h o u l di m p r o v et h ea g i l i t yo fi t s e l f ；c o l l a b o r a t ea n ds h a r et h er e s o u r c e so f m a t e r i a li n f o r m a t m na n dk n o w l e d g ew i t ht h ea s s o c i a t i n ge m i t 蟪i m p r o v et h ea g i l i t yo f a l l t h ea s s o c i a t i n gm e m b e r s ；t a k et h ec u s t o m e r sa si m p o r t a n tc o m p o n i o m ；a n dl a k et h e a d v a n t a g e so f i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g i e st os u p p o r tt h ei 龃l i z a t i o no f a g i l i t y i nt h i sd i s s e r t a t i o mt h ex u z h o uc o n s t n l c t i o nm a c h i n e r yg r o u pc o a n dx u z h o u l o a d m gm a c h 缸r yf a c t o r y 辩t a k e n 粥t h em s e a r c hs c e r 蛐r i o t h em a j o ra c t i v i t i e so f m a 珊l 自曲讲n ge n t e r p r i s e sa r cr e s e a r c h e d t h er e l a t i o m h i p sb o t hi nam a n u f a c t u r i n g e n t e r p r i s ea n db e l = 、) 咖t h em a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s ea n dt h ea s s o c i a t i n ge n t i t i e sa r e e x p l o r e d mc o n c e p to f d i g i t a l i z e df a c t o r i e s ( d f ) i sp u tf o r w a r df o rt h ef i r s tt i m e m e s n t i a lf e a t u r eo fad i g i t a l i z e df a c t o r yi st h ed i g 妇i o no ft h ef o l l o wo fi n f o r m a t i o n a n dw o r i d l o w _ l i _ b m e a n m 擎a n d 邝n n j gm o d e so f d fa r e 鲫融y dt o o t h ed fi n f o r m a t i o ns y s t e m ( d h s ) m o d e ls t r u c t u r et h a ti sc o m p o s e dw i t hs i xv i e w s i sp u tf o r w a r df o r t h ef i r s tt i m ea f t e rc o m p a r i n gt h ea v a i l a b l ee n t e r p r i s ei n f o r m a t i o ns y s t e m m o d e ls t r u c t u r e s a n dt h em o d e l i n gm e t h o db a s e do nt h ed f i sm o d e ls t m c t u 豫 o b j e c t - o r i e n tm o d e l i n gm e t h o d i i a n da j s s o e i a t e dm a t r i c e si sd e v e l o p e d 曰狞l o g i cf l a m e w o r ko f d f i sa n dt h eb a s i ca p p l i c a t i o np l a t f o r mf o ri n f o r m a t i o n e x c h a n g ea n di n t e g r a t i o n0 3 a p i ) 1f o rd f i s 黜d e v e l o p e d t h i r t e e no d n l n l o nb a w i c e c o m p o n e n t sa n di n t e r f a c e so fb a p i a r ed r a w no u tf r o mt h ea p p l i c a t i o n so fd f - t h e f o u r - t i r es o t t w a r em o d eo f b a p i i sg i v e n , a n dt h em e c h a n i s mo f t h em o d et os u p p o r tt h e 缸e r o p e r a b i t i t ya n ds h a r er e s o l l r ( x si sd i s c u s s e d a f t e ra n a l y z i n gt h ew o r k f i o wc h a r a c t e r si nd f - t h ef r a m e w o r ko fw o r k t l o w m a n a g e m e n ts y s t e mb a s e do nb a p i i sp u tf o r w a r df o rt h ef i r s tt i m e t h ew o r k i n g m e c h a n i s mo f w o r k f l o wn 瑚a g e m e n ts y s t e mi sa l s od i s c u s s e d am e c h a n i s mf o rw o r l d l o w c o n t r o ii sr e s e a h e d ：t h er u l eo f e v e n t c o n d i t i o n - a c t i o n ( e c a ) i sd e v e l o p e di n t ot h er u l e e v e n t - r o l e o b j e c t - t o o l - c o n d i t i o n - a c t i o n ( e r o t c m t o s u p p o r td e s c r i b i n g t h e r e l a t i o n s h i pi nw o r k f l o wm a n a g e m e n t n 七m e t h o do f w o r k f l o wd y n a m i ce n c a p s u l a t i o ni s d e s c r i b e d s o m ep r i n c i p l e sf o ri m p l e m e n t a t i o no fd fa n dd f i sa r ed i s c u s s e d n l ep e r s p e c t i v e s o fd fa n dd f i sa r ea l s oe x p e c t e dw i t ht a k i n gt h ep r o c e s so fd e v e l o p i n gz l 5 0 gt y p e l o a d e ri nx u z h o ul o a d i n gm a c h i n e r yf a c t o r ya sa ne x a m p l e k e yw o r d s ：m a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e ，i m e m e t ，a g i l i t y , d i g i t a l i z a t i o n , d i g i t a l i z e d f a c t o r i e s m o d e ls t r u c t u r e i n f o r m a t i o ns y s t e m , b a s i ca p p l i c a t i o np l a t f o r m , w b r k f l o w m a n a g e m e n t 南京航空航天大学博_ _ = 学位论文 第一章绪论 1 1 制造业面临的机遇与挑战 一个国家的基本财富主要由其经济结构中的商品生产部分创造，包括制造业、资 源开发业( 农业、渔业和矿业) 以及建筑业。在工业化国家中，制造业创造的财富约 占一个国家基本财富的2 ，3 l 啦l 。然而，目前这个历史悠久的、传统的和支柱性的产业， 正在经历前所未有的冲击和挑战，处于机会与困难并存的境地，主要表现为： 经济全球化速度加快，竞争已经超越了国家界限，已经从“国别经济时代”急剧 过渡到“全球经济时代”。今天，每个制造企业是全球制造业的一个组成部分，不仅 要和国内同行竞争，而且要面对其他国家同行的竞争。这种经济全球化趋势已经对相 对落后的我国制造业带来极大的冲击，随着我国加入世界贸易组织( w o r l dt r a d e o r g a n i z a t i o n ，w t o ) ，我国制造业将面l 晦更严峻的考验。 产品的寿命周期日益缩短，要求企业以更快的速度开发新产品，对现有产品进行 更新换代，以适应市场竞争和用户的要求。然而，由于产品越来越复杂，产品的平均 开发时间却在增加。制造产品的工厂和设备的建设、更新和维护开销和复杂度越来越 高。 客户越来越挑剔。客户选择产品时，已经不再仅仅从产品本身，而是从产品的新 颖性、供货时间、质量、价格和服务等多方面衡量，要求厂商提供整体性服务( t o t a l s o l u t i o n ) 。客户要求产品制造者按客户的要求设计、制造产品，产品的客户化已经是 大势所趋。 竞争的特征已经从竞争自然资源向竞争“知识创新”转变。“知识创新”不仅要 求产品本身具有较高的知识和技术含量，具有高附加值，而且要求对产品制造过程中 涉及的技术、管理方法、组织、机制和生产模式进行创新。 制造企业的生存环境，包括外部环境和内部环境，具有动态性、随机性和易变性 特征。一方面市场始终在动态变化，市场机会稍纵即逝，要求企业能够及时捕捉市场 机遇：一方面新知识和新技术的不断涌现，导致企业竞争环境的不确定性，忽略某项 技术的微小进步将可能导致企业在竞争中处于不利地位。为了适应市场和技术的动态 变化，企业内部始终处于动态变化之中。 既竞争又合作的趋势明显。为了适应市场和客户的需求，适应企业所面l 临的动态 外部环境，制造企业认识到单个制造企业的能力有限，必须加强制造企业之间以及其 他有关企业和个体的合作，共享知识、技术、资源和利益，形成一种既竞争又合作的 格局【3 1 。 为了可持续发展，保护人类赖以生存的环境( e n v i r o n m e n t ) ，制造企业的生产制造 过程和产品必须有利于保护环境，提高自然资源的利用率。 信息技术( i n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y ，i t ) ，特别是i n t e r n e t 技术的高速发展和应用， 数字化工厂及其关键技术研究 缩短了人们在时间和空问上的距离，使世界成为“地球村”。对于客户来说，i n t e r n e t 为他们提供了更多的选择产品和服务的机会和可能性。对于企业来说，以i n t e m e t 为 代表的i t 技术促进了企业改造、生产组织方式改变、企业管理水平和客户满意度的 提高。今天，制造企业越来越依赖于i t 技术，并将其作为一种竞争的基本手段之一， 产品和制造过程静信息化成为制造企业在竞争中取胜的法宝之一。产品的价格和产品 中所包含的信息量成正比关系。 综上所述，当今制造业处于一个动态、突变、非平稳的环境，制造企业以客户为 中心，利用i t 技术加快产品的开发、制造和分销速度，缩短新产品上市和交货时间 ( t ，t i m e ) ，以质量( q ，q u a l i t y ) 为本，降低成本( c ，c o s t ) ，为客户提供全方位 的服务( s ，s e r v i c e s ) ，同时充分重视“知识创新”( i ，i n n o v a t i o n s ) 和环境保护( e ， e n v i r o n m e n t ) ，t 、q 、c 、s 、i 、e 成为廿一世纪制造企业生存和发展的六要素。 1 2 信息时代制造业的制造策略 在动态、突变、非平稳的环境中，t 、q 、c 、s 、i 、e 六要素被综合演化为制造 企业对外部环境变化的快速响应能力，这种快速响应能力就是敏捷性。a g u i t yf o r u m 对敏捷性的定义是：敏捷性是一种能力，使企业能在无法预测、持续变化的市场环境 中保持并不断提高竞争能力i s , 3 3 捌。制造企业需要主动调整自身的制造策略，才有可 能赢得激烈的市场竞争。 如何提高制造企业敏捷性，成为制约企业生存和发展的关键因素。提高制造企业 的敏捷性，需要从四个方面来认识： 制造企业本身需要具备快速转变和调整能力制造企业需要具备根据市场需求 快速设计产品的能力，设计周期尽可能缩短；快速生产能力，产品从设计到成品需要 经过生产过程，能否快速制造高质量的产品也是制约产品快速上市、抢占市场的重要 因素；能够捕捉稍纵即逝的市场机遇：为用户提供及时和全面的服务，增强客户的忠 诚度；能够根据需要快速调整企业内部的工艺、设备、资金和人员布置；需要科学的 管理方法和手段；企业内部不同部门、不同角色的人员能够动态调整和协同工作，资 源、信息和知识快速流转和共享。 制造企业与外部关联实体协同工作和资源共享通常一个制造企业并不能承担 产品制造过程中所有的设计、生产、销售和服务任务，制造企业与外部实体，如供应 商、合作伙伴等，发生紧密的协作关系；任何一个企业，其技术、设备、资金、信息 和知识等资源，都极为有限，需要快速有效地利用企业外部资源。因此提高快速响应 能力，还取决于与外部实体是否能够协同工作，共同对市场变化作出快速响应。本文 认为，在我国制造企业现有技术能力和经济基础条件下，制造企业与外部关联实体之 间通过构成利益共同体，协同工作，优势互补，共同面对激烈的市场竞争，具有特别 重要的意义。 用户的参与用户作为企业外部关联实体的重要组成部份，不能仅仅作为产品和 2 南京航空航天大学博士学位论文 服务的受体，而应该让用户参与企业的产品设计等活动之中，把用户对产品的要求和 产品的使用经验作为一种重要的知识资源。 利用l t 技术为了实现快速响应市场变化和动态调整的目标，需要综合运用近 年来在计算机技术基础上迅猛发展的产品制造、信息共享和通讯技术的成果，构造一 个全新的竞争系统。在这个系统中，基本目标是把产品制造过程中所需的所有资源， 包括企业内部资源和分布在各地的关联实体的资源，通过i t 技术联系在一起进行集 中管理，实现它们的优化利用【1 5 1 。 通过有效利用i t 技术，实现制造企业内外关联实体协同工作、共享资源，提高 敏捷性，是信息时代制造企业的制造策略。 为了实现信息时代制造企业的制造策略，需要研究制造企业内外实体关系的本质 特征，提出一种新的适应我国国情、能够支持这种策略的概念，更需要一种能够实现 这个概念的信息系统。 1 3 制造企业应用i t 技术的过程与发展趋势 半个多世纪以来，特别是近三十年来，信息革命已经渗透至各个经济部门，迅速 改变着传统产业和整个经济的面貌。i t 技术的迅猛发展极大地拓展了制造业的广度 和深度，使制造业正发生着质的飞跃【l ”。纵观制造业信息化进程，可将其分为以下四 个阶段： 功能自动化阶段七十年代电子技术和计算机技术的发展为生产领域的自动控 制提供了可能，使得以计算机为辅助工具的制造自动化技术成为可行，由此出现了计 算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，c a d ) 、计算机辅助制造( c o m p u t e ra i d e d m a n u f a c t u r i n g ，c a m ) 、计算机辅助工艺规划( c o m p u t e ra i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ， c a p p ) 、物料管理计划( m a t e r i a lr e q u i r e m e n tp l a n n i n g ，m r p ) 等自动化系统。 部门级信息集成阶段八十年代针对设计、加工和管理中存在的自动化孤岛问 题，实现制造信息的共享和交换，采用计算机采集、传递、加工处理信息，形成了 系列信息集成系统，如c a d c a p p c a m 、c a d m r p1 i 、c a p p m r pi i 。计算机集 成制造( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g ，c i m ) 的概念被广泛接受，发达国家对 c i m 进行了实践，我国也于一九八六年将计算机集成制造系统( c o m p u t e ri n t e g r a t e d m a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，c i m s ) 列入国家“8 6 3 ”高技术发展计划，进行理论研究和 实践探索。总体上，这个阶段是部门级和跨部门级业务范围信息系统的应用和集成， 企业全范围和跨企业的信息系统集成处于开始阶段。 企业级信息集成与过程优化阶段i t 技术在知识经济发展过程中处于十分重要 地位。九十年代初期，企业意识到除了信息集成这一技术外，还需要对生产过程进行 优化。如用并行工程( c e ) 方法，在产品设计时考虑下游工作中的可制造性、可装 配性等，重组设计过程，提高产品开发能力：用企业经营过程重构( b p r ) ，将企业 结构调整成适应全球制造的新模式。工业化国家利用i t 技术的研究和工业化阶段性 数字化工厂及其关键技术研究 成果，开始在本企业跨地区的分支机构之间、企业与企业、企业与客户、企业与其他 相关实体之间尝试信息共享与协同工作。各种新的概念和应用系统如雨后春笋般涌 现，在产品设计领域，产品数据管理系统( p d m ，p r o d u c td a t am a n a g e m e n t ) 开始应 用；在物资供应方面出现了供应链管理系统( s c m ) ：在企业与客户之间出现了客户 关系管理系统( c r m ) ：在产品销售方面出现了电子商务( e - c o m m e r c e ) ；在企业资 源管理方面出现了e r p 系统；对虚拟制造技术进行了初步研究和应用实践；体现c i m 理念的c i m s 系统得到深入的研究和推广，自我国自一九八六年以来，有一百五十多 家企业实施了c i m s ，并取得较大成果，c i m 被发展成“现代制造技术( c o n t e m p o r a r y i n t e g r a t e dm a a - f a e t u d n g ) ”概念。 本文认为，在这一阶段i t 技术的应用主要在企业内部，是企业级的集成。代表 i t 技术在制造企业应用的发展方向的企业与外部环境之间的信息共享与协同工作处 于初步研究开发与应用阶段。 跨企业集成和过程优化阶段一九九五年以来，以i n t e r n e t 为代表的国际互联网， 正以极快的速度在发展。i n t e r n e t 不仅改变信息传递方式，同时也改变着制造企业组 织管理方式，催生了许多新的概念和制造模式，如协同产品商务( c p c ，c o l l a b o r a t i o n p r o d u c tc o m m e r c e ) 概念1 7 等。同时制造企业也要求i t 技术必须能够提供基于知识的 跨企业信息共享和协同工作能力，使制造企业与外部环境进行联系、利用外部资源满 足全球化市场需求为核心的快速响应制造活动成为可能。目前大量的研究、开发和应 用实践正在进行之中。 由于i t 技术在制造业的应用具有继承、借鉴、重叠、交叉的特征，在目标、进 化过程、时间和应用空间也具有继承、借鉴、重叠、交叉的特征，对于不同的国家、 不同的地区、不同的行业和不同的制造企业所采用i t 技术可能不同，因此实际上并 不存在严格意义上的阶段。 1 4 制造企业信息化的研究与应用现状以及存在的问题 长期以来，人们从不同的应用领域、不同的视角、不同的侧面、不同的需求和不 同的深度来认识制造企业，研究制造企业的信息化问题，产生了各种各样的概念和应 用系统，并且应用于制造企业，促进了制造业的发展与迸步。 从应用层来看，当前的研究热点有：在产品设计方面，产品数据管理( p d m ) 、 协同产品商务( c p c ) 和虚拟制造( v m u a lm a n u f a c t u r i n g ，v m ) ，以及面向产品生命 周期的设计( d f x ) ；在企业资源管理方面，主要为：企业资源管理( e r p ) 、供应链 管理( s c m ) 和客户关系管理( c r m ) ；在企业业务过程方面，业务过程重组( b u s i n e s s p r o c e s sr e e n g i n e e r i n g ，b p r ) 、工作流管理( w o r k f l o w m a n a g e m e n ts y s t e m ，w f m s ) 技术等：从缩短产品开发( 包括制造) 周期和工作并行性的角度，研究并行工程( c e ) 。 这些研究和应用系统的共同点是： 在本研究与应用范围内纵向深入与集成。如协同产品商务( c p c ) 将产品开发扩 4 南京航空航天大学博士学位论文 展到企业的外部环境，使本企业与供应商、合作伙伴、客户等共同开发产品，实现知 识共享；企业资源管理( e r p ) 从企业内扩展到企业外，包括了供应链管理( s c m ) 、 客户关系管理( c r m ) 和电子数据交换( e d i ) ，支持电子商务。 横向跨范围扩展、集成和交叉。如企业资源管理( e r p ) 扩展并集成产品数据管 理( p d m ) 。 吸收其他领域或范围的研究成果。如产品数据管理( p d m ) 、企业资源管理( e r p ) 均开始吸收工作流管理( w f m s ) 、并行工程( c e ) 的研究成果。 利用并支持i n t c m e t i m r a n e t 作为基础平台。如协同产品商务( c p c ) 、企业资源 管理( e r p ) 、供应链管理( s c m ) 和客户关系管理( c r m ) 均把i n t e r n e t i n t r a n e t 作 为基础平台。 普遍利用l t 技术基础研究成果，如利用对象技术、人工智能的研究成果，支持 分布式计算和异构平台。 应用软件产品支持国际标准或工业标准或事实工业标准，如p t c 公司的p d m 产 品w 铀c h m 支持c o r b a 标准、s t e p 标准。 但是，这些从不同的应用领域、不同的视角、不同的侧面、不同的需求和不同的 深度对制造企业信息化技术的研究和由此而产生的应用系统也存在一些问题： 制造企业的产品制造是一个非常复杂的过程，包括产品的设计、生产制造、资源 供应、销售与服务、财务核算与控制和经营决策六个主要过程和活动，这六个过程可 以进一步分解为许多分、子过程。制造企业是一个“生物体”，企业内部各组成部分 之间、企业与外部环境之间时刻发生物质、能量、信息和知识交互，i t 技术必须支 持这种交互。从不同的应用领域、不同的视角、不同的侧面、不同的需求和不同的深 度来研究制造企业和制造企业的i t 技术应用，把复杂问题分解、简化、抽象，有利 于降低问题的复杂程度，便于问题的解决。但是，这种解决方案，需要以不影响制造 企业各个过程的相互协作，共同完成制造企业的整个过程为前提。从当前的研究现状 和软件产品来看，这个问题没有很好地解决。 横向跨范围的扩展研究与应用系统产生了交叉和重叠，但是并不能相互取代。不 同的研究和开发人员在对制造企业进行分解、简化、抽象过程中的出发点不同，目标 不同，解决方案不同，采用的技术不同，较少考虑与其他应用系统的协调与相互支持。 有关制造企业的知识、约束和规则等封闭在应用软件内部( 如e r p 软件) ，而不 是存储在知识库内，一旦这些知识、约束和规则发生较大变化，应用软件可能无法适 应变化后的要求。 美国l e h i g h 大学和通用汽车公司在一九八八年提出了敏捷制造概念，把制造企 业及其外部关系作为整体来研究，敏捷制造概念在制造业和管理领域备受关注。1 9 9 4 年底出版了由美国国防部委托l e h i g h 大学组织一百多家公司在联合研究基础上编写 的“廿一世纪制造企业发展战略” 3 3 1 报告。 数字化工厂及其关键技术研究 一九九三年，美国国家自然科学基金会和国防部联合建立了三个敏捷制造国家研 究中心，分别研究电子工业、机床工业和航天国防工业中的敏捷制造问题。从一九九 四年开始，由美国敏捷制造协会( a g i l em 鲫幢i c t 嘶n ge m e r p r i s ef o r u m ，a m e f ) 牵 头开展了“最佳敏捷实践参考基础”研究，近百家公司和大学研究机构分别就敏捷制 造的集成产品与过程开发，并行工程、虚拟企业等六个领域进行了研究与实践相结合 的深层次工作。美国国家工业信息基础结构协议联盟( n i p c ，n a t i o m li n d u s t r i a l i n f o n r m t i o ni n f r a s t r u c t u r ep r o t o c o l sc o n s o r t i u m ) 认为虚拟企业动态联盟将是未来敏捷 企业的组织模式，提出了支持虚拟企业或动态联盟生命周期的信息技术协议( n i i i p ) 和框架【i ”，并且进行了初步的工业化试验。日本和欧共体也开展了与敏捷制造有关的 研究计划。目前，敏捷制造己在电脑制造、汽车与航空业等领域的有一定的实践基础， 理论体系也已初具雏形。 我国“8 6 3 1 c i m s ”主题从一九九三年就开始了对敏捷制造的跟踪研究，并结合 我国企业状况，进行了大量的调查研究。“8 6 3 - 2 ”计划规划了本世纪初先进制造技 术的发展，其中包括了敏捷制造方面的一系列研究项目。国家自然科学基金委员会 ( n s f c ) 。八五”期间已开始资助先进制造技术基础相关领域中的项目，从一九九五 年下半年起，组织了有关专家深入讨论“先进制造技术基础”优先领域的研究战略， 以指导我国“九五”期闻直至二零一零年先进制造技术的发展。自一九九五年起， n s f c 每年均资助了敏捷制造方面的研究项目。目前主要处于基础研究阶段。 1 5 课题来源 本课题来自两个国家“8 6 3 ”计划支持的项目：国家“8 6 3 ”计划自动化领域c i m s 主题支持的“徐工集团徐州装载机厂c i m s 应用示范工程”，项目编号： 8 6 3 5 1 1 - 8 1 0 - 0 4 1 0 3 1 国家“8 6 3 ”计划自动化领域c i m s 主题和机器人主题联合支持 的徐工集团股份有限公司“徐工机器人化工程机械集成化制造应用工程”c i m s 项 目，项目编号：8 6 3 5 1 1 9 1 0 - 4 0 5 。作者是这两个国家“8 6 3 ”c i m s 示范工程项目的 主要参与者之一。 徐工集团是我国最大的工程机械生产基地，研究开发、生产制造与销售几百种工 程机械产品，年产销值约5 0 亿元。徐工集团具有比较完善的产品设计、生产制造、 资源供应、财务控制、销售服务和经营决策体系。制造工厂分布在全国各地，与国内 著名高校、研究所、会计师事务所、律师事务所等建立了长期合作伙伴关系。建立了 比较完整的物资供应体系，既有内部零部件配套工厂，更有大量外部供应商( 包括国 内和国外) 。在全国设有2 8 个办事处，每个办事处负责本地区徐工产品的销售和客户 支持服务、管理分销商和市场等任务。进出口公司和分布在世界各地的多个办事处， 负责徐工产品在国际上的销售与客户支持服务。 徐工集团已经完成了现代企业制度改造，按市场经济模式和国际惯例运作。企业 信息化基础较好，技术开发中心和主要制造工厂的主要业务已经采用信息系统，如 6 南京航空航天大学博士学位论文 c a d ，c a p p c a m 、p d m 、e r p 等，进行产品设计制造和企业经营管理。 作者在两个项目的设计与实施过程中，深刻感受到制造企业面临的困境与挑战， 强烈感受到用户对i t 技术的渴望与要求，这种渴望与要求已经不仅仅局限于企业内 部信息化，他们希望能够和客户、供应商、协作厂家等一切关联实体能够利用i t 技 术进行协作，共享资源，外部实体也希望通过与主机厂家的合作，共同对多变的市场 环境作出快速响应。同时，作者也体会到需要研究企业内外实体协作关系的本质特征， 用一个概念来表达这种特征，需要对大范围不同类型的实体之间协作与共享所需要的 i t 技术和信息系统进行深入研究。 1 6 课题研究方法 本研究课题以徐工集团为原始企业背景( s c e n a r i o ) ，为了具有普遍意义，将徐工 集团各个独立核算的组成企业作为一般制造企业处理。以徐工集团徐州装载机厂作为 主要研究实例，把徐州装