第一讲现代集成制造系统发展战略

1、第一讲现代集成制造系统发展 战略第一讲 现代集成制造系统主要研究内容 主讲人：长安大学工程机械学院 蔡宗琰 教授 联系电话：（ 029）82338269， E-mail: 现代集成制造系统技术是科技部 制造业信息化关键技术研究及应用示范 工程 （简称 制造业信息化工程 ）重大项目的主要组成部分，主要任务是为制 造业信息化工程提供关键技术创新和产品研发的支持。制造业信息化工程是用 信息技术改造我国传统产业和实现信息化带动工业化的突破口。制造业信息化 工程通过将信息技术、自动化技术、现代管理技术等与制造技术相结合，带动 产品设计和制造方法与工具的创新、企业管理模式的创新、企业间协作关系的 创新，实

2、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、生产 装备的数字化、社会服务和咨询的网络化，实现用信息技术改造传统产业和以 信息化带动工业化，全面促进提升我国制造业的综合竞争能力。围绕制造业信息化工程的总体目标， 目前现代集成制造系统聚焦开展以下 5 大软件系统的开发和应用：三维数字化设计系统、流程工业制造执行系统 （ MES ）、基于先进管理模式的 ERP 系统、支持整体解决方案的 PLM 系统与区 域网络制造系统。具体研究内容可总结归纳如下： 一. 应用基础研究类课题应用基础研究类课题 以前沿创新技术研究为主要目标，鼓励原始创新，取 得具有自主知识产权的技术成果（专利、软件版权、高

3、水平论文、专著等） 。1、数字化设计与制造数字化设计与制造的主要任务是：以对我国国家安全和国民经济发展具有 重大影响的产品为应用对象，以集成应用示范工程为实践环境，紧紧围绕三 维 数字化设计系统的开发与产业化，对数字化设计与制造中的若干关键技术进行 创新性研究，开发出适合我国国情、具有自主知识产权的数字化设计与制造集 成软件系统工具集，促进我国数字化设计与制造软件产业的发展，提出实施数 字化设计与制造的整体解决方案，促进我国制造业经济效益和国际竞争力的提 高。本年度的主要研究内容围绕以家电、数控装备等典型产品为对象的三维数 字化系统的开发，进行前沿创新技术研究，形成有创新的技术及软件，如：（1

4、）产品的概念设计、工业设计和创新设计技术；（2）基于互联网络的产品异地协同设计技术；（3）产品虚拟设计与虚拟样机技术；（4）KBE 和设计仓库技术；(5) 三维数字化设计系统软件功能及可靠性测试技术；(6) 产品工艺设计及虚拟制造技术；(7) 其它符合本专题研究任务和要求的创新性课题。2、过程自动化系统 过程自动化系统的主要任务是：以典型流程工业企业为对象，以提高企业 经济效益、降低生产成本(原材料消耗、能耗和人力成本)和增强企业竞争力 为主要目标，解决一批重大关键技术，形成一批具有自主知识产权和标志性的 重大软件和硬件技术产品，结合企业管理和电子商务以及集成平台专题,提出流程工业综合自动化整

5、体解决方案，而流程工业综合自动化技术的核心技术是生 产过程制造执行系统( MES )。本专题的目标是发展我国基础自动化装备工业和 基于先进控制技术、优化技术和过程管理技术的软件产业。全面提升我国流程 工业的综合竞争力和经济效益。过程自动化系统的主要研究内容包括：生产过程制造执行系统( MES )、基 于新一代现场协议与标准的控制系统、特种传感器或变送器技术、以及典型企 业的重大示范。通过本专题的实施，形成具有自主知识产权的专利技术和标准 技术。(1) 复杂生产过程智能控制与优化控制技术；(2) 关键生产装置的建模技术与流程模拟技术；(3) 流程工业物流管理与产品质量管理技术；(4) 关键生产装

6、置和生产设备故障检测、诊断与维护技术；(5) 支持开放式现场控制设备的软逻辑控制软件；(6) 计划与调度技术及软件；(7) 其它符合本专题研究任务和要求的创新性课题。3、企业管理与电子商务系统 企业管理与电子商务系统的主要任务是： 面对经济全球化和我国加入 WTO 的机遇与挑战，结合我国制造业信息化工程，针对我国企业管理的集约化与现 代化、企业重组与优化、企业参与全球化敏捷制造的企业间协同与动态联盟管 理等问题，紧紧围绕现代管理信息系统的研发与产业化以及集成应用示范工程， 对企业管理与电子商务中的若干关键技术进行创新性研究。研究适合我国国情 的现代管理技术、现代企业管理模式与电子商务商业模式，

7、开发企业经营管理、 重组优化与电子商务软件系统，为我国离散、流程等制造企业提供现代管理与 电子商务的理论方法、标准、技术和工具，促进我国企业的管理创新。企业管理与电子商务系统的主要研究内容包括：(1) 适合中国国情的虚拟企业(动态联盟)组织与经营管理技术；(2) 企业重组与优化方法及技术；(3) 电子商务环境下的企业商务智能技术；(4) 面向企业经营管理与电子商务的群体智能决策支持系统；(5) 面向产品生命周期的全面质量管理系统；(6) 企业管理系统集成技术，如 ERP/PDM 、ERP 与电子商务系统的集成技 术；(7) 其它符合本专题研究任务和要求的创新性课题。4、现代集成制造系统平台 现

8、代集成制造系统平台的主要任务是：面向重大产品研制、重点行业和典 型区域对现代集成制造软件系统的实际需求，开展具有前瞻性、前沿性和战略 性的共性支撑与集成关键技术攻关，取得具有创新性的研究成果和软件系统， 并在企业进行实际应用。现代集成制造系统平台的主要研究内容包括：(1) 网络制造系统体系、系统构建与实施技术；(2) 面向网络制造应用实施的软件集成、 Grid 与集成平台技术；(3) 面向企业知识创新的知识工程与知识管理技术；(4) 面向整体解决方案的 PLM 平台技术；(5) 企业参考模型构建与模型实施转换技术；(6) 面向 MES 的流程工业车间信息集成平台技术；(7) 其它符合本专题研究

9、任务和要求的创新性课题。二. 应用研究类课题应用研究类课题 主要解决关键产品的研发与产业化，开发具有自主知 识产权的现代集成制造系统软件、平台及工具集，以及行业和区域的集成应用 验证和示范，促进应用软件产业化。1. 面向行 业典型产品的三维数字化设计系统及核心构件开发研究目标： 本课题的研究目标是：面向制造业主战场，以重大行业和典型产品、设计和 市场开拓为应用背景，立足国际技术前沿，全面调查并分析行业和典型产品的 客户化配置和三维数字化设计的具体需求，提出适合中国制造业的产品设计模 式和客户化定制技术整体解决方案。开发出面向行业的三维数字化设计系统， 针对行业的需求开发出面向该行业的三维数字化

10、设计系统构件和专用工具集， 形成具有自主知识产权的软件产品。开发一个具有行业典型用户的应用级原型 系统，为下一步系统的商品化奠定基础。主要研究内容： 按照市场和利益机制，提出并探索强强联合、资源共享，以三维数字化 产品设计系统的产业化为目标，按照产业链，实现多赢的运行机制和商业化模 式。 针对家电或装备行业，以家电产品或典型设备为目标产品，结合其设计、 制造、销售和应用环境，对方案进行全面的市场调研。分析它们对三维数字化 设计的需求，提出符合行业和产品特点的三维数字化设计系统的总体方案和原 型系统。该原型系统能够全面反映总体方案的先进性和可行性。系统可以采用 商品化的几何引擎和系统组件作为平台

11、。 开发先进的面向行业的专用系统构件和软件工具产品。 研究系统的体系结构和功能结构以及基于用户界面组件、几何引擎组件、 约束求解算法、系统集成技术的参数化三维数字建模技术，抽象出其中主要的 核心构件。 与国家制造业信息化工程紧密结合，满足应用行业和区域的需求，可在 企业中进行广泛应用。主要指标及要求 : 支持基于 Web 的协同设计和创新设计，提供面向行业的三维数字化设计 软件产品和解决方案。描述系统在集成国际主流几何内核平台或自主开发几何 内核平台以及兼容多种流行软件的数据格式的考虑，并就未来的产品化和产业 化商业模式进行说明。 系统可实现产品结构设计和外观设计，具有支持外观设计的复杂曲面造

12、 型及产品钣金设计的应用工具。支持高品质、高逼真的产品显示和真实的动画 效果。支持面向工艺和制造的设计，能够从三维数字化模型转换为符合中国国 家标准的工程图。 系统具有经验重用的设计构件知识库和经验库。说明设计构件知识库和 经验库的建库工具和应用模式。 系统具有标准的体系结构， 底层几何采用 NURBS 统一表达，支持 IGES 、 SAT、X_T 、X_B、STEP 接口标准，适合中国的相关工业标准和产品设计特点。 系统具有开放性，具有面向行业应用的标准系统构件，并能够支持应用 构件的开发，提供基于组件的二次开发环境。说明二次开发环境的应用模式。 系统支持基于 Web 的客户化定制设计、管理

13、和结果浏览，说明用户在客 户端的设计模式以及其设计数据的协同和共享情况。 系统支持基于 Web 的远程计算、异地设计和协同设计， 支持基于 DCOM 、 CORBA 、HTML 、 VRML 或 XML 等技术的数据交换。 针对典型复杂产品的设计过程进行系统开发和应用，对开发的系统和工具集进行全方位的验证和示范 形成具有多项成果、相关专利和软件版权登记的软件产品和构件化的软 件工具。2、流程工业 MES 关键技术及系统研究 研究目标： 以大型钢铁、石化企业实施综合自动化技术及重大示范应用为背景，提出 综合自动化整体解决方案，突破制约综合自动化的重大关键技术 -MES（ 生产过 程制造执行系统）

14、。MES以过程数据模型为核心系统，连接实时数据库和关系数 据库，对生产过程进行实时监视、控制和诊断，进而完成环境监测、单元整合、 过程模拟和参数优化，并在生产过程管理层进行物料平衡、生产计划、调度、 排产、离线与在线模拟与优化等。力争通过本课题的实施，形成适合钢铁、石化行业综合自动化整体解决方 案的 MES 关键技术及系统，提高过程自动化设备和 MES 工具软件的研制和产 业化水平；同时促进我国钢铁、石化行业的技术进步，提高企业应变力、适应 力、创新力与竞争力，取得显著的经济效益和社会效益。主要研究内容： 针对钢铁、石化行业的需求，研究流程企业综合集成框架、大型复杂系 统的描述设计方法，提出以

15、 MES 为核心的综合自动化整体解决方案； 提出并研究钢铁、石化企业的 MES 结构和具体内容，进行关键技术攻关， 主要包括生产计划与优化调度系统、关键核心装置的建模与优化控制、关键流 程工艺的模拟与质量控制、生产设备效能及可靠性监测和预测技术等； 在 MES 系统结构中，研究流程工业企业快速建模技术和 虚拟工厂 技 术，开发建立物流、资金流、能量流和工作流模型的建模工具软件，研究开发 基于物料平衡及能量平衡的模型校验和评价系统； 在 MES 层面解决涉及整体解决方案实施的关键性问题， 包括生产过程物 料流、能量流、质量流与资金流数据统一集成平台系统和应用软件工具集； 在国内有重要影响的典型企

16、业实施 MES 的过程中，开发流程工业企业基 于模型的生产集成管理优化框架，对生产过程的物料、能量、质量与资金进行 全面的监测、分析、控制和优化。主要指标及要求： 提出钢铁、石化行业过程自动化以 MES 为核心的整体解决方案分析报告 和实施标准； 完成重大关键技术和自动化系统产品原型的开发和应用验证； 提交一套完整的针对典型企业的 MES 系统； 显著提高应用企业的经济技术指标； 在关键技术攻关与系统开发方面取得多项创新性成果 （ 专利、软件著作版 权、论著 ）。3、计划与实时优化调度系统研究目标： 结合复杂工业过程生产的特点，如流程长、能量消耗大、物流的物理化学 变化大等特点，研究生产计划与

17、实时优化调度系统的关键技术。从生产计划和 生产调度入手，开发出应用于生产管理的先进生产计划和动态调度系统是提高 流程工业企业竞争能力的当务之急。本课题针对典型流程工业过程（如钢铁、 石油化工等生产过程）的具体特点，研究基于以提高产品质量、优化生产排产 为目标的生产计划与实时动态调度系统，提高企业生产管理层和生产执行层之 间的集成水平，对生产过程进行优化组织和动态控制，提高企业的产品质量与 生产能力、缩短交货期、降低运行成本，最终提高企业的竞争力。本课题的研 究目标是开发该系统的应用软件原型，并在典型流程工业生产线进行示范应用， 使企业获得明显经济效益。主要研究内容： 适应市场动态多变需求（面向

18、订单的多品种、多批量和多品种、小批量 的混杂系统计划调度建模技术）的流程工业企业生产计划编制和动态调度算法 及相应的软件； 带约束、多目标混合规划求解理论与技术； 基于动态生产需求的实时调度理论与技术； 生产设备效能、产能及可靠性的监测、评价和预测理论与技术； 基于知识和经验的人机协同的交互式调度技术； 基于仿真优化和软计算的动态调度技术。主要指标及要求： 实现全流程级大规模带约束、多目标混合规划问题高效求解； 完成生产计划、实时生产调度、图形化建模，以及设备评价软件工具集 开发； 在关键技术攻关与系统开发方面取得多项创新性成果 （ 专利、软件著作版 权、论著 ）。在典型企业进行成功的应用示范

19、。4、适合中国国情的 ERP 管理软件系统研究目标： 十五 期间，针对我国企业管理的集约化与现代化、 企业重组与优 化、企业全球化采购与分销、企业间协同与动态联盟管理等问题，研究 适合中国国情、适用于多种生产方式和经营模式的先进企业管理软件， 建立支持企业经营管理、电子商务与企业内外部集成的动态可重构企业 管理系统，并通过应用推广，逐步实现产业化。本课题是现代集成制造系统技术主题快速响应市场需求的课题，将 针对不同的行业应用支持若干项 ERP 系统的研发。其目标是围绕我国制 造业信息化工程的需求，研究开发基于中国先进管理模式的 ERP 系统， 形成具有自主知识产权的 ERP 软件产品；结合重点

20、行业现代集成制造系 统技术应用工程、典型区域现代集成制造系统技术应用工程和省市制造 业信息化工程建设，进行较广泛的应用，并实现产业化，在 ERP 市场中 占有一定份额。主要研究内容 : 研究基于中国先进管理模式的 ERP 系统结构、功能构成及业务 流程； 结合重点行业现代集成制造系统技术应用工程、典型区域现代集 成制造系统技术应用工程和省市制造业信息化工程建设， 针对具体行业， 研究开发行业性的先进实用的 ERP 系统，并形成 ERP 产品； 研究 ERP 系统软件设计与实现的先进技术； 研究 ERP 系统与现代集成制造系统技术主题相关的其他系统的 集成方法及技 结合具体应用行业，如重大装备、

21、航空、航天、汽车、石化、冶 金等行业等，提出 ERP 的行业性应用实施方法； 在企业中进行较广泛的应用，并能够实现产业化。主要指标及要求 : 所研究开发的 ERP 系统应是在我国已有自主知识产权的 ERP 产品 基础上的改进， 应体现中国特色与先进管理模式， 特别应针对制造业信息化 工程中的某类制造行业体现出行业特色，并具有较好的实践基础； 结合我国制造业信息化工程的应用背景，明确针对具体应用行 业，提出行业性 ERP 系统的业务过程模型及系统结构； ERP 软件系统应包含的主要功能为： 生产计划与控制、 成本计划 与控制、财务管理、采购供应管理、销售管理、客户关系管理、库存管 理、质量管理、

22、人力资源管理、设备管理、基础数据管理等； ERP 应具有与现代集成制造系统技术主题其他系统的可集成性， 特别是与国产化数据库管理系统 DBMS 的集成性，并提供与其他系统（如 供应链管理 SCM 、客户关系管理 CRM 、电子商务、 PDM 系统等）集成的接口； ERP 系统应能够在多个主流计算机系统平台上运行； 与重点行业现代集成制造系统技术应用工程、典型区域现代集成 制造系统技术应用工程和省市制造业信息化工程建设密切结合，并与制 造业信息化应用工程示范省市建立长期合作关系； 所开发出的 ERP 系统 应在示范省市 /行业制造业信息化应用工程中至少 20 家企业进行应用， 取得显著应用效益；

23、 形成新的 ERP 软件产品，取得多项软件著作权，在 ERP 市场中 占有一定份额。5、重点行业现代集成制造系统技术需求分析与整体解决方案设计研究目标：围绕现代集成制造系统重点发展的 4大软件系统（三维数字化设计系统、基 于中国先进管理模式的 ERP 系统、支持整体解决方案的 PLM 系统、网络制造 系统）,在重点行业实施现代集成制造系统技术是目前的重点工作之一。行业现代 集成制造系统技术的实施分为需求分析与方案设计、关键技术攻关与重大集成 应用二个阶段。本课题的研究目标是开展行业现代集成制造系统技术需求分析 和整体解决方案设计，形成具有自主创新的整体解决方案，确定系统实施中的 重大集成与共性

24、支撑关键技术问题，为进一步实施行业现代集成制造系统技术 与采用本主题开发的 4 大软件系统进行重大集成应用奠定基础。主要研究内容： 针对重点行业和重大产品，分析提高行业国际竞争力的关键问题， 确定行业对现代集成制造系统的技术需求、软件产品需求和应用需求； 确定重点行业现代集成制造系统技术的发展模式和发展战略，提出行业 现代集成制造系统技术的整体解决方案。结合行业特色，以行业核心技 术为切入点，分析研究行业现代集成制造系统技术实施中的关键问题和 重大系统集成问题，明确利用本主题开发的 4大软件系统中的 2 个左右 软件系统进行重大集成应用的主要内容和实施方案。在上述实施方案的 基础上，开展行业现

25、代集成制造系统技术重大集成应用的初步设计。主要指标及要求： 提供重点行业的现代集成制造系统技术发展战略报告。应重点围 绕提高行业国际竞争力展开效益分析，对实施前后与国际先进水平的差 距进行比较，并分析所实施项目对制造业信息化软件产业和咨询服务业 的贡献等； 提供重点行业的现代集成制造系统技术需求分析报告； 提供重点行业现代集成制造系统技术整体解决方案报告； 结合本主题开发的 4 大软件系统中的 2 个左右软件系统，提供重 点行业现代集成制造系统技术重大集成应用的实施方案； 在上述实施方案的基础上，提供初步设计报告； 对采用本主题开发的软件进行重大集成应用的申请将给予优先考 虑。6、典型区域网络制造系统研究目标：区域经济是我国国民经济发展最快和最具活力的组成部分之一。 本课题 总体目标是根据区域制造业的特点和区域经济发展的需要， 实施区域网络制 造系统， 通过区域网络制造系统的应用来提高区域制造业创新能力； 通过建 立区域性企业动态联盟来促进制造业组织结构的调整和区域资源的优化利 用；通过建立网络化信息服务系统， 加快以信息技术为代表的高新技术改造 传统制造业的步伐，同时促进制造业信息化软件产业和