智能制造的系统工程技术 课件全套 第1-8章-概论 -智能制造系统优化

第一章概论目录1.1智能制造系统1.2生产系统的布局1.3制造模式1.4智能制造：支持生产的信息系统智能制造系统1.1关键概念制造是将原材料转换为适用产品的过程科学技术是创新的源泉，制造则是创新的最重要目的制造现代制造系统的研究，强调用系统方法和系统视角研究制造系统构造具有一定智能的人工系统智能化是现代制造提升竞争力的最重要技术支撑智能1.1.1制造与生产通过模拟用户操作，测量系统响应时间，确保软件运行流畅，无明显延迟。响应时间测试0101就制造业而言，制造和生产的含义相同分析一个制造企业的职能时，制造包含从设计、生产规划、物料采购、车间生产、产品配送等不同职能，而生产是制造企业全部职能的一个部分含义分析通过模拟用户操作，测量系统响应时间，确保软件运行流畅，无明显延迟。响应时间测试0102国际生产工程学会（CIRP2004）：“生产”是“直接有助于制造商品的所有功能和活动”将制造系统定义为全部生产功能中的物理制作部分，如丰田生产系统（TPS）、柔性制造系统（FMS）等不同定义通过模拟用户操作，测量系统响应时间，确保软件运行流畅，无明显延迟。响应时间测试0103产品物理制造相关系统称为车间或工厂，包含所有制造职能的系统统称制造或生产系统智能制造系统是包含人、机、料等物理实体，以及方法、信息、能源和资金等非物理实体的一个综合系统本书约定1.1.2制造系统与生产系统-制造视角车间系统涵盖设备层、现场工业控制、车间管控及企业资源管理等多个层次工厂角度：其生命周期包括设计、建造、运行及废弃等阶段，良好绩效需统筹各环节产品角度：提供卓越产品需串联设计、工艺、生产准备、售后及回收等全流程物料供给角度：高效生产依赖供应网络协同，现代工厂竞争本质是供应链的竞争。制造/生产系统全景图(1) 布局与车间系统工艺布局是将相同工艺聚类在一起性形成生产单元，经常被称为作业车间；产品布局是按照产品进行布局，也就是按照生产同一产品所需要的工艺进行聚类形成生产单元，经常也被称为流水线车间同样的设备，用不同的布局来安排设备，用不同方式来连接设备，会形成不同的制造系统飞机制造：项目布局；短交期的计算机生产：延迟布局；柔性生产系统/可变制造系统等工厂布局(2) 社会技术系统与生产模式手工生产模式-流水线生产模式（福特）-精益生产模式（丰田）-卡尔玛生产模式（沃尔沃）好的生产模式，需要考虑如何设计一个物理的制造系统，同时还要考虑有效地组织生产、运行制造系统随着技术特别是信息技术的快速发展，让技术发挥作用，需要考虑人的使用因素，无论敏捷制造还是业务流程再造，都体现了技术与人的系统联合优化的必要性和重要性生产模式丰田生产模式(3) 信息物理系统与工业4.0工业1.0蒸汽机时代，工业2.0电气化时代，工业3.0是信息化时代，工业4.0则是利用信息化技术促进产业变革的时代，也就是智能化时代工业4.0环境下的生产系统组成，信息系统成为关键环节，需要综合考虑制造的硬件以及相应的信息系统，这对生产系统的设计提出新挑战工业4.0工业4.0环境下的生产系统组成(4) 生产网络与供应链将所有相关的工厂连接在一起就形成生产网络，生产网络就是由原材料、辅料和设备供应等各个生产节点，以及生产制造，运输和销售等各环节形成的网络企业层面，复杂的生产网络管理成为供应链管理，负责有机整合确保生产流程的协同运作，使企业能够更加灵活、高效地应对市场需求国家层面，供应链和产业链安全变得极端重要供应链供应链和产业链1.1.2制造系统与生产系统-系统视角制造/生产系统是复杂的工程系统，元素包含工人、机器、物料、方法、能源、信息和环境等要素；系统的功能就是输入原材料，输出增加价值的产品，系统的绩效指标包含生产数量、生产质量、生产成本等生产系统包含多个层次的（工作站-车间-工厂-供应链），生产系统是复杂自适应系统，具有自组织、涌现等系统层面的复杂特性；生产系统还是动态的，是随时产品或工厂的生命周期而改变的动态系统生产系统的复杂性，需要新的系统理论与方法，如IDEF分析、网络分析、系统动力学等生产作为一个系统(1) 产品全生命周期理论全生命周期理论将产品的生命周期细分为导入、成长、成熟、衰退等若干阶段在产品生命周期的早期，强调生产系统的柔性以应对产品与市场的不确定；在产品生命周期的中后期，成本成为生产系统设计的关键性能指标。常见的生命周期方法包括计划驱动方法、渐进迭代方法、精益开发方法和敏捷开发方法等例如绿色制造，包含设计、制造、供应商和能源供应等多个环节(2) 企业架构与系统集成架构：一个事物内部各个分部的逻辑结构，以及分部之间的连接关系企业架构起源于信息技术的集成需要，今天的企业架构则用于企业数字化转型，将业务战略与信息系统更好融合，实现更好地集成，更快地响应市场需求和技术变革例如：Zachman架构提供不同视角，不同领域的描述方式，为计算机集成制造提供了集成的工具企业架构一般分为两大部分：业务架构和IT架构Zachman架构(3) 体系：系统之系统体系是指各种不同类型的系统动态组成的一个新的、复杂度更高的系统。体系的特性包括：运行独立性/管理独立性/异地联通性/持续演化性/整合涌现性未来的工厂需要将机器与人集成、机器与智能集成、和供应链集成作为一个系统之系统（即：体系）运行人-信息-物理系统生产系统的布局1.21.2.1生产系统布局概述1)降低项目投入成本、单位生产成本2)提升产品质量3)提高系统生产率4)提升人、设备、空间和能源的利用率5)减少在制品6)减少物料搬运作业量7)提高生产柔性8)为员工提供方便、安全以及舒适的条件合理的物理布局方案1)最小物流距离原则2)空间利用原则3)布局柔性原则4)相互依存原则5)整体集成原则6)安全性原则7)流畅性原则8)经济性原则基本原则总体目标是充分利用作业空间、对生产流程进行不断优化1.2.2生产系统布局的典型形式-单机/并行机

实际产能与理论产能之间存在偏差，需要通过设备综合效率（OEE）进行评估。例如全局设备效率（OverallEquipmentEffectiveness,OEE）综合效率OEE=A*P*Q，基于三个因素：设备可用性（Availability,A）、性能表现（Performance,P）、质量表现（Quality,Q）常见生产系统布局方式：固定位置布局、产品布局、工艺布局、单元式布局等1.2.2生产系统布局的典型形式-固定位置布局所有的工序都是在原材料（在加工情况下）或主要部件（在装配情况下）固定在一个地方的情况下完成的，生产所需的设备、人员、物料等均围绕产品布置一般用于生产小批量、定制化且结构较为复杂的大型设备，如船舶、大型飞机、铁路机车和重型机械等优点包括：适应性强/减少产品损伤风险/灵活应对变化缺点包括：空间利用率低/成本较高/协调复杂固定位置布局1.2.2生产系统布局的典型形式-产品布局按照产品的生产流程和步骤来组织生产设施和设备位置的布局方式。适用于生产单一产品或一类相似产品的制造场所，通常会按照生产线或者流水线的方式进行布局优点包括：生产效率高/生产周期短/生产质量可控/生产成本降低缺点包括：适用范围有限/柔性差常见的基于产品原则布局的产线形态包括直线型、U型、环形型、S型等产线平衡的量化指标包括：产线平衡率与损失率/产线平滑指数/工序负荷率改善：从耗时较长与耗时较短工位两个维度具体分析产品布局产品原则布局模式对比1.2.2生产系统布局的典型形式-工艺布局生产设备被按照功能和类型安排在同一生产工段或工作区内，产品按工艺过程通过各生产工段或工作区优点包括：设备分组/灵活性/专业化/设备利用率缺点包括：物料流动/协调复杂性/成本系统布局规划(SystemLayoutPlanning，SLP)是一套具有系统性、规范性、适用性的布局设计方法工艺布局SLP实施步骤流程图1.2.2生产系统布局的典型形式-单元式布局生产设备和工作人员被组织成一个独立的单元，负责完成特定产品或产品组件的加工和装配适用于多品种、中小批量生产优点包括：小团队制造/灵活性/快速反应/质量控制/员工参与缺点包括：设备利用率/协调复杂性/成本柔性制造系统（FMS）由自动导向车（AGV）、数控机床（CNC）、机器人和其他复杂的、计算机控制的设备组成。单元式布局1.2.2生产系统布局的典型形式-混合布局混合布局是一种将不同生产布局方式结合使用的布局策略融合了产品布局、工艺布局等多种布局的特点，以适应复杂多变的生产需求旨在提高生产效率、降低成本，并提升空间利用率和灵活性。比如有些企业有多种产品需要生产，工厂可以根据每种产品不同批量，大批量产品用产品原则布局进行生产，而中小批量产品通过工艺原则布局生产。在混合原则布局中，各类产品相似工艺阶段采用工艺原则布置生产设备，部分工艺阶段产量较大采用产品原则布置生产设备。混合原则布局继承了工艺与产品原则布局模式的优势，适用于复杂多种产品的情况。1.2.3典型布局模式间的对比-优缺点不同布局方式的特性不同布局类型优缺点1.2.3典型布局模式间的对比-对应关系区分生产需求的最重要的两个因素是产品种类P（ProductVariety）和产品产量Q（ProductionQuantity）固定位置布局适用于单件小批生产，用以生产定制化且结构较为复杂、难以搬运的大型设备工艺布局适用范围较为广泛，既可以用于单件生产和成批生产，也可以用于大规模批量生产单元式布局适用于单元式生产，用以生产多品种、中小批量的产品产品布局适应于大规模流水线生产，用以生产产品单一、年产量巨大的产品不同生产方式所适用的布局方式1.2.4作业空间布置按作业顺序布置：机器、设备一般按作业顺序布置。适合专业化工厂成批大量生产的加工和装配作业。按设备功能布置：将机器、设备按功能分类，同一功能的设备被编作一组，共同完成某一产品的同一道工序。优点：机器设备的利用率高，一旦某一台设备或作业者出现故障，对全局不会造成太大影响。缺点：从一组设备到另一组设备，需搬运原材料和半成品，增加了搬运时间和费用。我国机械加工车间常见的布置方式。机器、设备的布置原则按重要程度布置：最重要的器件应布置在人的最佳操作范围和视觉范围内按作业顺序布置：在配置器件时应按照使用顺序布置。布置顺序要按照从左到右，由上而下的顺序排列按使用频率的高低布置：对于经常使用的器件，应放在人的最佳操作范围和最佳视觉范围内按功能对应性原则排列：将功能相关的器件放在一起，或在位置上相互对应工作台的布置原则总体布置原则根据人的作业要求，先考虑总体布置，再考虑局部设计；先考虑人，后考虑设备；操纵设备应按使用频率和操作顺序进行布置；把常用控制器、显示器放在最佳作业范围内；要考虑安全、人流、物流的合理组织。1.2.5其他类型布局项目布局通常适用于建筑项目项目布局与固定位置布局有相似之处：产品难以移动；不同之处：产品是否留下仓库布局必须根据仓库的主要功能进行规划：(1)接收(2)存储(3)拣货和(4)发货一个重要决策是接收和发货功能的位置服务布局大部分基于工艺布局（功能布局）目标是最大化顾客对展示的物品的接触，以促进更大的销售美学和顾客的体验仓库布局项目布局办公室布局通常根据功能或部门进行分组部门之间的工作流程用来决定它们在建筑物中的位置发展趋势倾向开放式办公服务布局办公室布局制造模式1.31.3.1流水线生产-起源福特于1913年成功研制出世界上第一条流水生产线，大大提高T型车的生产率标志着“少品种大批量生产”制造模式的诞生，又称为“底特律式自动化”两大基本原理：劳动分工/零件互换性右图为流水线生产方式实施前后生产效率的比较福特公司的流水线生产效率与手工作坊方式生产效率的比较1.3.1流水线生产-定义和特点流水线生产指的是多台工作站按顺序排列，零部件或装配件按顺序沿着装配线移动，直至完成生产。工作站由机床和/或配备专门工具的工人组成，所有工作站的集合是专为产品而设计，以实现生产效率的最大化。不同工作站之间的工件传输一般通过动力传送带实现。每个工作站完成产品制造任务的一部分。定义劳动的专业化。每个工人在这项单独的小任务中的熟练度将得到很大提升产品结构的标准化，以及零件的通用化和互换性。工作流原则。保证每个工作单元在生产线上流畅地流动，且在工位之间移动的距离最小。线节拍。工人通常需要周期时间内完成分配给他们的每个工作单元上的任务，以此使生产线保持在特定的生产率水平。特点1.3.1流水线生产-分类为了达到目标产量，流水线通常设定并按照一个周期运行工人必须在该周期时间内完成分配到自己工位的任务，否则将无法满足目标生产率生产线节拍：固定生产节拍(rigidpacing)/有富余的生产节拍(pacingwithmargin)/无节拍(nopacing)产品种类：单一流水线(Single-modellines)/批量流水线(Batch-modellines)/混合流水线(Mixed-modellines)工件搬运系统：手工搬运/机械搬运系统生产线中使用的3种机械化搬运系统的速-距图和实际布局图常用物料搬运设备1.3.1流水线生产-约束理论20世纪80年代,约束理论（Theoryofconstraints，TOC）诞生约束理论是关于管理活动中如何进行改进以及如何最佳实施这些改进的一套管理理念和原则帮助企业或组织识别在实现目标过程中存在的制约因素，将其视为约束或瓶颈，并提出如何实施必要的改进来逐一消除这些约束和瓶颈，从而更有效地实现企业目标定义1)识别系统约束：首先要确定制约因素，即影响组织或系统达成目标的主要瓶颈。通过分析系统，找出导致效率低下或目标未能实现的关键因素2)决定如何应对系统的制约因素：确定如何应对已识别的约束，以消除或减轻其影响3)调整非约束资源：一旦约束得到处理，就需要调整非约束资源以配合系统的变化4)衡量约束的影响：跟踪和监控约束的效果，并评估对整个系统绩效的影响5)重复优化循环：不断回到第一步，重新评估系统，发现新的约束并采取相应措施，以不断提高系统的绩效和效率基本框架1.3.2精益生产-背景及思想精益生产（Leanproduction,LP）来源于日本的丰田生产方式(Toyotaproductionsystem,TPS)丰田生产方式的基石：杜绝浪费以准时制生产为手段，靠节约资源、减少投入、降低成本来增加效益。20世纪80年代初，世界汽车市场向“多品种、小批量”化的趋势发展。在这种背景下，丰田生产方式更是得到了广泛的认可1990年，国际汽车计划组织《改变世界的机器》，产生于丰田的这种准时制生产体系是一种更节省、更精细化管理的生产方式，并将其称为精益生产方式。精益生产的概念，主要是从更深入、更实质性的角度分析，更多的提炼准时制生产体系中共性的技术与方法，已经思想性的管理理念，将产生于一个具体企业的管理思想、技术与方法理论化，通用化，从而具有更广泛的意义背景1)确定价值：认为产品或服务的价值由顾客决定，只有满足顾客需求的产品或服务才是有价值的。将价值分为有价值、无价值但必要和无价值三种，强调以顾客为中心审视企业生产全过程中每个环节的各种活动，减少无价值但必要的动作，消除无价值的动作，在提高客户满意度的同时，降低企业自身的生产成本2)识别价值流：价值流是指产品或服务从原材料或初始阶段经过一系列的流程，最终以满足客户需求的形式交付给客户的整个流程。识别价值流是精益思想中发现问题的基础，同时价值流分析也是实施精益思想最重要的基础工具之一3)形成流动：该步骤是指通过优化价值流程，使产品或服务能够顺畅、连续地流动，以实现更高效的生产或服务提供4)拉动价值流：根据客户实际需求来触发生产或服务活动。5)尽善尽美：鼓励员工参与，不断追求卓越和完美，在生产和服务过程中消除一切不必要的浪费精益思想1.3.2精益生产-生产要素精益生产体现在流程、人员、方法三个要素的结合流程：实现精益思想的关键工具，扮演着核心角色。在丰田体系中，持续地发现和改善流程中的问题是其最大的优势之一。以5S管理法为例，通过整理(Seiri)、整顿(Seiton)、清扫(Seiso)、清洁(Seiketsu)、素养(Shitsuke)保证工作场所的干净，减少浪费人员：强调全体员工参与现场改善，不断发现问题，不断改进，永无止境。组织：具体体现在制度和文化方面精益生产方式的理念模型1.3.3柔性自动化与敏捷制造-起源与发展自动化制造技术大致经历了四个发展阶段：第一阶段：纯机械控制和电液控制的刚性自动化加工单机和系统长足发展，自动化制造技术逐渐在制造业中被广泛使用，对制造业带来了巨大的变革和提升第二阶段：数控技术（NumericalControl,NC）飞速发展。计算机辅助制造（ComputerAidedManufacturing，CAM）/计算机辅助设计及绘图系统（ComputerAidedDesign，CAD）/，计算机数控机床（ComputerizedNumericalControl，CNC）逐渐成熟第三阶段：以数控机床和工业机器人组成的柔性自动化制造系统的飞速发展时期第四阶段：计算机集成制造系统（ComputerIntegratedManufacturingSystem,CIMS）变得更加智能、灵活和高效自动化制造技术的发展1.3.3柔性自动化与敏捷制造-计算机集成制造系统CIM运用系统工程的整体化观点，将现代信息技术和生产技术结合起来综合应用CIMS则是一种制造系统，是CIM的具体实施，是CIM理念的一种具体实现方式CIMS一般由四个应用分系统和两个支撑分系统组成：管理信息分系统（ManagementInformationSystem,MIS）/技术信息分系统（TechnologicalInformationSystem,TIS）/制造自动化分系统（ManufacturingAutomationSystem,MAS）/质量信息分系统（QualityInformationSystem,QIS）/计算机网络分系统（NetworkSystem,NES）/数据库分系统（DataBaseSystem，DBS）计算机集成制造系统的组成1.3.3柔性自动化与敏捷制造-敏捷制造1994年《21世纪制造企业战略》两个结论1)企业生存、发展面临的共性问题是：目前竞争环境变化太快而企业自我调整、适应的速度跟不上2)依靠对现有大规模生产模式和系统的逐步改进和完善不可能实现重振美国制造业雄风的目标明确提出了新制造模式的答案，即敏捷制造（AgileManufacturing,AM）敏捷制造强调企业在无法预测的、持续快速变化的竞争环境中生存、发展并扩大竞争优势；强调通过产品制造、信息处理和现代通信技术的集成，来实现人、知识、资金和设备（包括企业内部的和分布在全球各地合作企业的）的集中管理和优化利用背景1)客户要求变化的响应能力2)新产品开发能力3)柔性生产能力4)知识管理能力5)人力资源对变化的响应能力6)创新能力7)企业内外的合作能力8)全球化市场变化的响应能力9)信息系统对环境变化的适应能力敏捷化竞争能力主要因素1.3.3柔性自动化与敏捷制造-大规模定制20世纪90年代，大批量生产方式已不能满足需求，大规模定制（MassCustomization，MC）逐渐成为新的主流生产方式，特征如下：1)以顾客需求为导向2)以敏捷为标志3)以质量为前提4)以信息技术为支持5)以模块化、标准化为基础6)以合作为手段7)以管理创新为关键背景敏捷制造和大规模定制都是应对市场变化和多样化需求的重要策略，但它们在生产模式和目标实现方式等方面有所不同相较于敏捷制造，大规模定制对网络技术的要求较低，更注重产品和过程的模块化和通用性，以期在较低成本下实现个性化生产敏捷制造则更加关注时间效率，通过公共信息网络快速找到竞争力强和愿意合作的伙伴，以实现客户需求的定制化敏捷制造vs大规模定制1.3.4工业4.0与智能制造新模式-工业4.0“工业4.0”是以物联网及务联网（服务联网技术）为基础的第四次工业革命，通过互联网等通信网络将工厂与工厂内外的事物和服务连接起来，创造前所未有的价值，构建新的商业模式，实现工业制造业的智能化转型。德国在2013年《保障德国制造业的未来：关于实施工业4.0战略的建议》，强调了“传统制造+互联网”的理念，旨在实现从硬件向软件的转型。其核心内容是发展基于信息物理系统的智能制造，以此保障德国制造业的未来发展。背景美国提出了工业互联网和先进制造业2.0战略，即“互联网＋传统制造”。侧重于从软件出发，打通硬件，旨在以互联网激活传统制造，充分发挥科技创新优势，以此占据世界制造业价值链的高端地位。中国2015年《中国制造2025》和《关于积极推进“互联网+”行动的指导意见》，提出了中国的战略部署和发展路径，强调以信息化与工业化深度融合为主线，以推进智能制造为主攻方向。各国战略1.3.4工业4.0与智能制造新模式-智能制造新模式两种典型的平台经济新模式:众包（Crowdsourcing）和零工经济（Gigeconomy）众包模式：“一个公司或机构把过去由员工执行的工作任务，以自由自愿的形式，外包给非特定的（通常是大型的）大众网络的做法”，主体维度可以分为发包方、接包方和平台方这三个主体随着互联网技术的不断进步，预计众包模式的应用和影响力将进一步扩大：维基百科、美团众包背景零工经济是以数字平台为载体将劳动的供给与需求有效匹配的用工模式，其中个人通过临时性、短期的雇佣关系完成任务或提供服务，而非通过长期的雇佣关系。涉及到数字平台、零工劳动者以及平台用工企业等三方与众包不同，零工经济侧重于个体临时性雇佣关系，众包更强调集体的智慧和合作，通过向大量参与者分发任务并汇总他们的贡献来解决问题或完成任务众包vs零工智能制造：支持生产的信息系统1.4智能制造信息系统实时收集生产线数据，优化生产计划与资源分配，减少资源浪费。实时数据优化监控生产流程，预测潜在问题，提前规避停机与质量缺陷。生产风险预测共享实时数据，推动跨部门高效协作，构建敏捷响应体系。跨部门协作网络1.4.1智能制造系统的演进-数字化数字化制造源于信息的计算机化处理，贯穿产品全生命周期，提升精度与效率数字化制造的起源麻省理工学院在20世纪50年代发明了第一台数控铣床，开发了自动编程语言，奠定了计算机辅助制造的基础，使制造过程更精准、高效数控技术的突破CIMS整合CAD/CAM、ERP及质量管理系统，实现制造全流程自动化与信息化CIMS技术整合1.4.1智能制造系统的演进-数字化数字化制造的现代内涵与目标通过深入分析和精准规划产品、工艺流程和资源配置的信息，实现企业运营的优化对产品的整个生命周期，即从开发设计阶段到制造生产，乃至销售使用和最终的报废回收阶段，实施全面的数字化管理和应用覆盖了从数字化设计、工艺、加工、装配、检测到管理等全方位的领域；计算机建模与仿真、图形处理、网络技术、数据库管理、虚拟现实、逆向工程以及快速原型制作等跨学科技术支持数字化制造内涵全周期管理核心优化目标1.4.1智能制造系统的演进-网络化01网络化制造定义利用信息技术和网络技术实现资源、信息、技术和知识的全球共享与集成核心在于快速响应市场变化，通过构建基于网络的制造系统，突破地理限制，实现产品全生命周期的高效管理和协同作业03国家级战略美国“敏捷制造使能技术”、“下一代制造”模式盟的“第五框架计划”日本“智能制造系统”中国“863”项目的“现代集成制造系统网络”和“区域性网络化制造系统”02网络经济时代的制造变革制造企业开始从以生产和产品为中心的模式转向以客户为中心的模式，通过网络与客户建立联系，提供全生命周期的优质服务和技术支持1.4.1智能制造系统的演进-企业的数字化转型企业的数字化转型意味着构建一个全面的信息系统，该系统是数字化、网络化和智能化三个趋势融合的体现数字化转型：运营效率更高、成本控制更优、盈利能力更强、研发创新更为活跃数字化转型的核心，在于利用先进技术对企业的生产流程进行深度优化和改进智能制造系统的应用，让企业在提升效率的同时，也增强了生产的可持续性，这对于企业的长期发展至关重要1.4.2数字化研发在产品生命周期的初期，数字化研发起着至关重要的作用，其中，计算机辅助设计、计算机辅助工程（Computer-AidedEngineering，CAE）、计算机辅助工艺规划（ComputerAidedProcessPlanning，CAPP）、计算机辅助制造以及产品生命周期管理（ProductLifecycleManagement，PLM）等系统是其核心构成CAD和CAE促进创新的设计思路和准确的工程分析，为产品的初始阶段打下了坚实的基础。CAPP和CAM系统则将这些设计理念转化为实际的生产行动，通过优化生产过程和提高制造效率，降低了成本并缩短了产品上市时间。最后，PLM系统将整个产品生命周期的每个环节紧密联系起来，确保信息的流畅交换和过程的高效管理，从而实现了产品开发和生产过程的全面优化数字化研发系统构成1.4.3数字化车间-高端数控机床数字化车间：通过集成先进的信息技术、自动化技术和智能装备，实现生产过程的高效、灵活和智能管理。各种智能装备和系统——如智能数控机床、工业机器人、物流与仓储系统以及计算机信息系统等——协同工作智能数控机床的核心在于其智能数控系统，基于先进的软硬件技术，包括智能传感器、网络通信、现场总线技术以及强大的数据处理和分析算法，实现自我感知、自我学习和自我优化《中国制造2025》中，数控机床及基础制造装备被明确列为“加快突破的战略必争领域”1.4.3数字化车间-

工业机器人工业机器人的核心组成包括机械结构、驱动与控制系统、感知系统等多个部分。第三代工业智能机器人配备多种感知功能和人工智能技术，能够进行复杂的逻辑判断、决策，甚至独立解决问题核心技术包括语音图像识别、运动规划、自动避障等瑞典ABB、日本FANUC和Yaskawa、德国KUKA等国际市场主导者；国内沈阳新松、南京埃斯顿、安徽埃夫特、武汉华中数控、广州数控设备等领先企业《机器人产业发展规划（2016-2020年）》，计划显著提高国产工业机器人的速度、载荷、精度和自重比等主要技术指标FANUC工业机器人1.4.3数字化车间-智能物流系统智能物流系统是在信息化和自动化技术基础上发展起来的，通过集成自动识别、数据挖掘、人工智能和地理信息系统等先进技术，实现对物流环境的智能感知、分析和决策自动导引车辆（AutomaticGuidedVehicle，AGV）是智能物流装备的典型代表，美国亚马逊公司（Amazon）Kiva系统以数据驱动的方式优化仓库管理和物流运送流程2018年京东全球首个“无人配送站”，能够接收无人机运送的包裹并自动完成包裹的中转和分发，最终通过无人配送车将货物安全送达顾客手中京东无人配送车1.4.4数字化工厂管理-制造执行系统数字化工厂管理核心：制造执行系统、质量管理系统和企业资源规划等关键系统制造执行系统：位于企业计划管理系统与底层工业控制系统之间的车间层级管理信息系统，它通过提供实时、准确的生产数据和信息，帮助管理者和操作人员实现生产过程的有效监控、调度和优化，解决“信息孤岛”和“信息断层”问题MES系统核心：不仅关注车间层面的生产过程，还架起了企业管理与生产控制之间的桥梁，实现了数据和信息的双向流动。MES系统不断地演进和优化，集成了先进的信息技术，如大数据、云计算和人工智能，以适应智能制造和工业4.0的新趋势1.4.4数字化工厂管理-质量管理系统质量管理系统（QualityManagementSystem,QMS）是制造业用于保证产品和服务质量的一套标准化的管理框架1987年国际标准化组织（ISO）发布ISO9000系列标准，ISO9001:2015是在世界范围内被广泛认可和实施的QMS标准，规定了一个质量管理体系应达到的要求现代QMS正在向更加自动化、智能化的方向发展，集成了先进的数据分析、云计算、移动技术和人工智能等，实现主动的质量控制和改进1.4.4数字化工厂管理-企业资源规划企业资源计划（EnterpriseResourcesPlanning，ERP）系统集成了众多理论和实践成果的系统性的生产管理问题解决方案，它经历了20世纪60年代的MRP、70年代的闭环MRP、80年代的MRPII到90年代至今的ERP等发展阶段ERP旨在通过整合企业的全部资源，如人、财、物、产、供、销等来实现资源的充分调配和平衡，使企业更好地应对激烈的市场竞争ERP核心管理思想包括：（1）管理整个供应链资源而非仅限于企业内部；（2）通过围绕主生产计划和相关计划进行全面的事前规划、事中控制和事后分析；（3）重视ERP与业务流程重组之间的相互作用，从而帮助企业全面提升竞争力，取得更好的经济效益1.4.5数字化维修服务数字化维修服务指的是应用数字化技术，如在线故障诊断、远程监控、数据分析、以及预测性维护等，来管理和执行产品和设备的维护和修理工作企业资产管理（EnterpriseAssetManagement，EAM）系统在数字化维修服务中扮演着关键角色，尤其是涉及到资产的全生命周期管理预测性维护是一种利用数据分析和监测技术提前识别设备或产品潜在故障的策略，目的是预防故障发生以减少意外停机时间，降低维护成本，并延长设备和产品的寿命随着物联网技术的发展，预测性维护在设备和产品管理中的作用变得更加显著第二章高端装备中的系统工程目录01前言02复杂产品的定义与特点03系统工程的基本概念05复杂产品系统工程实践案例分析04复杂产品系统工程流程前言012.1前言系统工程的核心作用：系统工程作为关键学科，是确保高端装备这类复杂产品开发效率和质量的重中之重，对推动其创新与优化至关重要本章聚焦于高端装备系统工程的理论与实践，旨在提供系统性视角，以理解和解决复杂产品从概念到实现的全过程问题。定义与挑战：探讨复杂产品的定义、特点，及其为何成为现代制造领域最具挑战性的项目系统工程基础：系统工程的基本概念（概览、起源、价值系统工程流程详解：详细阐述系统工程流程，包括：技术流程、技术管理流程、协议流程、使能流程以及剪裁流程理论与实践结合（案例分析）：复杂产品系统工程实践案例（如国际空间站、哈勃太空望远镜57复杂产品的定义与特点022.2复杂产品的定义与特点复杂产品的定义复杂产品系统包括大型、高成本、系统复杂、技术含量高、项目周期长的产品、系统和基础设施建设项目复杂产品是指研发成本高、规模大、技术含量高、单件或小批量生产的大型产品、系统或基础设施。复杂产品系统的复杂性在于其对技术深度与宽度、新知识运用程度及客户化程度的要求高。复杂产品系统通常由许多不同技术领域的元件、次系统集成而成，因此，复杂产品系统其本质特征是不同技术在系统不同层次水平上相互作用的多技术系统（Multi-technologicalsystem）592.2复杂产品的定义与特点项目规模庞大：人力投入巨大：需要成千上万人协同工作零件数量惊人：组件数量庞大标志着规模与协调难度核心挑战：如何有效协调庞大团队、管理巨量零件物流和生产是重大难题系统（本身）高度复杂：多子系统集成：由多个本身就复杂的子系统组成高度耦合与环境适应：子系统必须在有限空间内共存、紧密耦合、相互协作，并耐受极端外部环境装配复杂性：复杂的设计需满足各子系统在拥挤空间中的装配要求嵌于更大系统：产品本身通常是更庞大系统的一个要素，增加了系统级交互和依赖项目管理极其复杂：新未知因素不断涌现并行工程：不同组件并行开发（设计成熟度不同），依赖假设技术创新：采用新材料、新工艺、新技术组织变革：采用新的项目组织形式或供应链结构60系统工程的基本概念

032.3.1系统工程的概览系统工程是将系统思维理论化、模型化，可规范的掌握应用，解决复杂系统问题的方法。钱学森“系统工程”是组织管理“系统”的规划、研究、设计、制造、试验和使用的科学方法，是一种对所有“系统”都具有普遍意义的科学方法。INCOSE是一种使系统能成功实现的跨学科的方法和手段。系统思维系统思维分析全局思维定量分析批判性思维外部视角宏观视角运行视角内部视角功能视角结构视角发展视角类属视角连续视角时间视角科学视角来源:

Perceptions

of

Systems

Engineering

(Kasser

et

al.,

P.14)63全局思维视角(HolisticThinkingPerspectives)外部视角宏观视角：系统运行的背景环境；运行视角：系统在场景中的行为；黑盒视角。内部视角功能视角:系统需要实现的功能以及如何实现;白盒视角；结构视角:系统如何被组织和构建。发展视角类属视角:对系统相似性的感知;连续视角:对系统差异性的感知；时间视角:对系统的过去、现在及未来的感知。其他视角定量分析:与定性观点相关的定量信息；科学视角:基于批判性思维对定性描述的见解和推断。642.3.2系统工程的起源现代系统工程起源先进技术的机遇与风险管理：新技术（如自动化、人机界面、机器人、软件）提升能力，但需系统工程管理开发风险竞争的驱动作用：竞争促使寻求系统级权衡以获得最优解决方案专业化的应对：要求将系统划分为专家可设计和构建的模块，并严格管理其接口与交互国际标准与演进INCOSE作为权威组织推动国际系统工程知识体建设、标准制定（ISO15288）推动系统工程向MBSE（基于模型的系统工程）方向的方法与工具演进652.3.3系统工程的价值662.3.3系统工程的价值【INCOSESEHandbook4】识别软件质量在当下尤为关键需求工程代码开发组建软件设计软件结构设计系统设计单元测试集成系统测试验收测试运行70%20%10%3.5%16%50.5%9%21%软件缺陷产生的比例及分布软件缺陷被发现的比例及分布现代开发和测试工具至关重要67复杂产品系统工程流程

042.4复杂产品系统工程流程INCOSE系统工程流程概览

(ISO/IEC/IEEE15288:2023)692.4复杂产品系统工程流程702.4复杂产品系统工程流程71Activities•Prepareforbusinessormissionanalysis(准备业务或任务分析)•Definetheproblemoropportunityspace（定义问题或机会空间）•Characterizethesolutionspace(描述解决方案或空间)•Evaluatealternativesolutionclasses(评价备选的解决方案类集)•Managethebusinessormissionanalysis(管理业务或任务分析)Outputs•Businessormissionanalysisstrategy(业务或任务分析策略)•MajorstakeholderIdentification(主要利益攸关者识别)•Preliminarylifecycleconcepts(初步的生命周期概念)•Problemoropportunitystatement(问题或机会说明)•Businessrequirements(业务需求)•Alternativesolutionclasses(备选的解决方案等级)•Preliminaryvalidationcriteria(初步确认准则）•PreliminaryMOEneeds(初步MOE需要）•PreliminaryMOEdata(初步MOE数据）•Businessrequirementstraceability(业务需求可追溯性）•Businessormissionanalysisrecord(业务或任务分析记录）Inputs•Organizationstrategicplan（组织策略计划）•ConOps（运行意图）•Sourcedocuments（源文件）•Lifecycleconstraints（生命周期约束）•Projectconstraints（项目约束）•StakeholderrequirementsTraceability（利益攸关者需求可追溯性）任务分析流程

BusinessorMissionAnalysisProcess72定义业务或使命的问题或机遇，分析方案空间，并确定若干个潜在的备选方案类别。Enablers（使能项）Controls（控制）利益攸关者需要和需求定义流程

StakeholderNeeds&RequirementsDefinitionProcess定义能够提供利益攸关者在特定环境下所需服务的系统的需求。73Activities•Prepareforstakeholderneedsandrequirementsdefinition(准备利益攸关者需要和需求定义)•Definestakeholderneeds(定义利益攸关者需要)•Developtheoperationalconceptandotherlifecycleconcepts(开发运行概念及其他生命周期概念)•Transformstakeholderneedsintostakeholderrequirements(将利益攸关者需要转换成利用攸关者需求)•Analyzestakeholderrequirements(分析利益攸关者需求)•Managethestakeholderneedsandrequirementsdefinition(管理利益攸关者需要和需求定义)Outputs•Stakeholderneedsandrequirementsdefinitionstrategy(准备利益攸关者需要和需求定义策略)•Lifecycleconcepts(生命周期概念)•Systemfunctionidentification(系统功能的识别)•Stakeholderrequirements(利益攸关者需求)•Validationcriteria(确认准则)•MOEneeds(MOE需要)•MOEdata(MOE数据)•Stakeholderrequirementstraceability(利益攸关者需求可追溯性)•InitialRVTM(初始RVTM)•Stakeholderneedsandrequirementsdefinitionrecord(利益攸关者需要和需求定义记录)Inputs•Sourcedocuments(源文件)•Projectconstraints(项目约束)•Majorstakeholdersidentification(主要利益攸关者识别)•Preliminarylifecycleconcepts(初步的生命周期概念)•Problemoropportunitystatement(问题或机会说明)•Businessrequirements(业务需求)•Alternativesolutionclasses(备选的解决方案类集)•Preliminaryvalidationcriteria(初步确认准则)•Validatedrequirements(已确认需求)•PreliminaryMOEneeds(初步MOE需要)•PreliminaryMOEdata(初步MOE数据)•Businessrequirementstraceability(业务需求可追溯性)•Lifecycleconstraints(生命周期约束)•Stakeholderneeds(利益攸关者需要)•Systemrequirementstraceability(系统需求可追溯性)EnablersControls系统需求定义流程

SystemRequirementDefinition建立从供应商视角出发的可度量的系统需求，不假定任何特定的实施方式；将以利益攸关者期望服务的需求驱动的视角转换为能够交付这些服务所要求的产品的技术视角。74Activities•Prepareforsystemrequirementsdefinition(准备系统需求定义)•DefinesystemRequirements(定义系统需求)•Analyzesystemrequirements(分析系统需求)•Managesystemrequirements(管理系统需求)Outputs•Systemrequirementsdefinitionstrategy(系统需求定义策略)•Systemfunctiondefinition(系统功能定义)•Systemrequirements(系统需求)•Systemfunctionalinterfaceidentification(系统功能接口的识别)•Verificationcriteria(验证准则)•MOPneeds(MOP需要)•MOPdata(MOP数据)•Systemrequirementstraceability(系统需求可追溯性)•UpdatedRVTM(已更新的RVTM)•Systemrequirementsdefinitionrecord(系统需求定义记录)Inputs•Lifecycleconcepts(生命周期概念)•Systemfunctionidentification(系统功能的识别)•Stakeholderrequirements(利益攸关者需求)•StakeholderrequirementsTraceability(利益攸关者需求可追溯性)•InitialRVTM(初始RVTM)•Architecturetraceability(架构可追溯性)•FinalRVTM(最终的RVTM)•Lifecycleconstraints(生命周期约束)EnablersControls架构定义流程

ArchitectureDefinition生成并评价一个或多个能满足系统需求（systemrequirements）的架构方案；架构设计是系统工程师最重要的工作之一75Activities•PrepareforarchitectureDefinition(准备架构定义)•Developarchitectureviewpoints(开发架构视角)•Developmodelsandviewsofcandidatearchitectures(开发候选架构的模型和视图)•Relatethearchitecturetodesign(使架构与设计相关联)•AssessarchitectureCandidates(评估架构候选方案)•Managetheselectedarchitecture(管理选定的架构)Outputs•Architecturedefinitionstrategy(架构定义策略)•Systemarchitecturedescription(系统架构描述)•Systemarchitecturerationale(系统架构基本原理)•Documentationtree(文档树)•Preliminaryinterfacedefinition(初步接口定义)•PreliminaryTPMneeds(初步TPM需要)•PreliminaryTPMdata(初步TPM数据)•Architecturetraceability(架构可追溯性)•Architecturedefinitionrecord(架构定义记录)Inputs•Lifecycleconcepts(生命周期概念)•Systemfunctiondefinition(系统功能定义)•Systemrequirements(系统需求)•SystemfunctionalinterfaceIdentification(系统功能接口的识别)•Systemrequirementstraceability(系统需求可追溯性)•UpdatedRVTM(已更新的RVTM)•Designtraceability(设计可追溯性)•Interfacedefinitionupdateidentification(接口定义更新识别)•Lifecycleconstraints(生命周期约束)EnablersControls设计定义流程

DesignDefinition完成物理架构的详细设计，为系统实施提供足够细节的数据和信息。76Activities•Preparefordesigndefinition(准备设计定义)•Establishdesigncharacteristicsanddesignenablersrelatedtoeachsystemelement(建立与每个系统元素有关的设计特征和设计使能项)•Assessalternativesforobtainingsystemelements(评估获取系统元素的备选方案)•Managethedesign(管理设计)Outputs•Designdefinitionstrategy(设计定义策略)•Systemdesigndescription(系统设计描述)•Systemdesignrationale（系统设计基本原理）•Interfacedefinition（接口定义）•TPMneeds(TPM需要)•TPMdata(TPM数据)•Designtraceability(设计可追溯性)•Systemelementdescriptions(系统元素描述)•Designdefinitionrecord(设计定义记录)Inputs•Lifecycleconcepts(生命周期概念)•Systemfunctiondefinition(系统功能定义)•Systemrequirements(系统需求)•SystemfunctionalinterfaceIdentification(系统功能接口的识别)•Systemarchitecturedescription(系统架构描述)•Systemarchitecturerationale(系统架构基本原理)•Preliminaryinterfacedefinition(初步接口定义)•PreliminaryTPMneeds(初步TPM需要)•PreliminaryTPMdata(初步TPM数据)•Architecturetraceability(架构可追溯性)•Interfacedefinitionupdateidentification(接口定义更新识别)•Implementationtraceability(实施可追溯性)•Lifecycleconstraints(生命周期约束)EnablersControls系统分析流程

SystemAnalysis在开发和设计过程中提供严谨的数据、信息和决策支持77Activities•Prepareforsystemanalysis(准备系统分析)•Performsystemanalysis(执行系统分析)•Managesystemanalysis(管理系统分析)Outputs•Systemanalysisstrategy(系统分析策略)•Systemanalysisreport(系统分析报告)•Systemanalysisrecord(系统分析记录)Inputs•Lifecycleconcepts(生命周期概念)•Analysissituations(分析情况)•Lifecycleconstraints(生命周期约束)EnablersControls实施流程

ImplementationProcess目的：实现特定的系统元素。该流程产生的系统元素已通过验证满足特定设计需求，并已通过确认满足利益攸关者的需求。支持系统元素的适应（adaptation）或实现（realization）。通常集中于三种形式的系统元素：硬件软件人员（运行者和维护者）78控制项-适用法律和法规-行业标准-协议-项目程序和标准-项目指令活动准备实施执行实施管理实施结果输出实施策略实施使能系统需求实施约束系统元素系统元素文件运行者/维护人员培训材料实施可追溯性实施报告实施记录输入生命周期概念系统架构描述系统架构基本原理系统设计描述系统设计基本原理接口定义设计可追溯性系统元素描述

使能项-组织/企业方针、程序和标准-组织/企业基础设施-项目基础设施-实施使能系统图4-12实施流程的背景环境图综合流程

IntegrationProcess目的和内容：组装一个与架构设计一致的系统。该流程组合系统元素来形成完整的或部分的系统构型，以便创建系统中规定的产品。建立系统内部接口以及系统与更大的项目计划之间的接口。ICD（如：N2图）IFWG综合流程与V&V适当迭代。综合流程是自下而上的（bottom-up）。79图4-13综合流程的背景环境图控制项-适用法律和法规-行业标准-协议-项目程序和标准-项目指令活动准备综合执行综合—依次综合系统元素构型，直至完整系统被合成管理综合结果输出综合策略综合使能系统需求综合约束综合程序综合系统或系统元素接口定义更新识别综合报告综合记录输入生命周期概念接口定义系统元素描述系统元素系统元素文件实施可追溯性接受的系统或系统元素使能项-组织/企业方针、程序和标准-组织/企业基础设施-项目基础设施-综合使能系统验证流程

VerificationProcess验证流程证实所感兴趣之系统及其所有元素执行预期功能且满足分配给所感兴趣之系统及其元素的性能需求即“系统已被正确地构建”验证方法：Inspection,analysis(includingsimulation),demonstration,test,certification测试种类：DevelopmenttestQualificationtestAcceptancetestOperationaltest该流程产生验证过的系统最终的RVTM80验证流程

VerificationProcess81Activities•Prepareforverification(准备综合)•Performverification(实施验证)•Manageresultsofverification(管理验证结果)Outputs•Verificationstrategy(验证策略)•Verificationenablingsystemrequirements(验证使能系统需求)•Verificationconstraints(验证约束)•Verificationprocedure(验证程序)•FinalRVTM(最终的RVTM)•Verifiedsystem(已验证的系统)•Verificationreport(验证报告)•Verificationrecord(验证记录)Inputs•Lifecycleconcepts(生命周期概念)•Systemrequirements(系统元素)•Verificationcriteria(验证准则)•UpdatedRVTM(已更新的RVTM)•Interfacedefinition(接口定义)•IntegratedsystemorsystemElements(综合系统或系统元素)•Integrationreport(综合报告)ControlsEnablers验证流程

VerificationProcess82LevelSystemdefinitionVerifyrequirementsDefinedsystemRequirementsDesigncharacteristicsVerifydesignnn+1VerifyrequirementsDefinedsystemselementsRequirementsDesigncharacteristicsVerifydesignVerifyagainstVerifyagainstSystemrealizationRealizedsystemVerifiedfinalproductVerifiedproductsRealizedsystemelements图4-15Verificationlevelperlevel.ReprintedwithpermissionfromAlainFaisandier.Allotherrightsreserved.转移流程

TransitionProcess目的和内容：建立能够在运行环境中提供由利益攸关者需求所规定的服务的能力。该流程安装一个已经验证的系统，以及一些相关的使能系统，如协议中定义的运行系统、支持系统、运行者培训系统、用户培训系统。83控制项-适用法律和法规-行业标准-协议-项目程序和标准-项目指令活动-准备转移-执行转移-管理转移结果输出转移策略转移使能系统需求转移约束安装程序安装的系统经培训的运行者和维护人员转移报告转移记录输入-生命周期概念-运行者/维护人员培训-接口控制文档-最终的RVTM-已验证的系统-验证报告使能项-组织/企业方针、程序和标准-组织/企业基础设施-项目基础设施-转移使能系统图4-13转移流程的背景环境图确认流程

ValidationProcess确认流程是确认已构建（或将要构建）的系统满足利益攸关者所申明的需要即“构建了正确的系统”V&V常常是同时进行的需求确认在需求分析阶段：系统需求是否满足利益攸关者需求；子系统需求是否满足系统需求MOE是否被正确转换为MOP系统确认对象为设计、原型、最终系统的元素、文件和培训材料在运行环境或仿真的运行环境中进行确认主体利益攸关者参与独立第三方84确认流程

ValidationProcess85Activities•Prepareforvalidation(准备确认)•Performvalidation(执行确认)•Manageresultsofvalidation(管理确认结果)Outputs•Validationstrategy(确认策略)•Validationenablingsystemrequirements(确认使能系统需求)•Validationconstraints(确认约束)•Validationprocedure(确认程序)•Validatedrequirements(已确认需求)•Validatedsystem(已确认系统)•Validatedreport(确认报告)•Validatedrecord(确认记录)Inputs•Lifecycleconcepts(生命周期概念)•Stakeholderrequirements(运行者/维护人员培训资料)•FinalRVTM(最终的RVTM)•Installedsystem(安装的系统)•Transitionreport(转移报告)•Validationreport(确认准则)ControlsEnablers确认流程

ValidationProcess86LevelSystemdefinitionValidaterequirementsDefinedsystemnn+1ValidaterequirementsDefinedsystemselementsSystemrealizationRealizedsystemRealizedsystemelementsStakeholderrequirements,operationalscenariosStakeholderrequirements,operationalscenariosValidateagainstValidateagainstDeliveryofvalidatedsystemDeliveryofvalidatedsystemelements图4-19Validationlevelperlevel.Note:Systemrequirementsarevalidatedagainstthestakeholderrequirements.ReprintedwithpermissionfromAlainFaisandier.Allotherrightsreserved.运行流程

OperationProcess87Activities•Prepareforoperation(准备运行)•Performoperation(执行运行)•Manageresultsofoperation(管理运行结果)•Supportthecustomer(支持客户)Outputs•Operationstrategy(运行策略)•Operationenablingsystemrequirements(运行使能系统需求)•Operationconstraints(运行约束)•Operationreport(运行报告)•Operationrecord(运行记录)Inputs•Lifecycleconcepts(生命周期概念)•Operator/maintainerTrainingmaterials(运行者/维护人员培训材料)•Trainedoperatorsandmaintainers(经培训的运行者和维护人员)•Validatedsystem(已确认系统)•Validationreport(确认报告)•Maintenancereport(维护报告)ControlsEnablers维护流程

MaintenanceProcess88Activities