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[定义]现代集成制造系统技术主题“十五”发展战略的思考
2004-04-08 16:27:00  作者:  来源:不详
  •   [定义]现代集成制造系统技术主题“十五”发展战略的思考
    摘要:分析了我国制造业面临的国内外形势和发展现代集成制造系统技术的重要意义。在总结现代集成制造系统技术已有工作的基础上,从国家需求出发,提出了863计划现代集成制造系统技术主题的发展战略和“整体化综合治理、分形化技术集成、集成化系统应用、系统化产业发展和协同化组织实施”的“系统发展模式”。同时介绍了现代集成制造系统及其数字化设计与制造系统、过程自动化系统、企业管理与电子商务系统、集成平台、区域制造网络系统等分系统的主要内容和关键技术。
    我国863计划CIMS主题在计算机集成制造系统(Computer Integrated Manufacturing System)的基础上,通过15年的研究与应用实践,并结合中国国情,提出了现代集成制造系统(Contemporary Intergrated Manufacturing System)的概念。现代集成制造系统技术将信息技术、自动化技术、现代管理技术与制造技术相结合,在全球化制造环境下集成产品全生命周期各阶段与企业内外部相关的活动和资源,实现企业优化运行,提高企业创新能力与综合竞争力。数字化设计与制造系统、过程自动化系统、企业管理与电子商务系统、总体集成平台和区域制造网络系统等是现代集成制造系统的重要组成部分。
    21世纪初,围绕着以知识为基础的创新能力竞争,一场以信息技术为特征的全球化的制造业革命正在波澜壮阔地展开。以敏捷制造为代表的先进制造技术将是制造业不断推出新产品、快速响应市场并赢得竞争的主要手段。制造系统集成技术已从实现企业内部的信息集成和功能集成,发展到实现产品设计、制造、管理、营销的过程集成,并正在步入实现企业间集成的敏捷制造阶段;基于Internet的全球化制造系统与生产体系正在形成。当前,制造系统发展的主要特点是集成化、网络化、敏捷化、数字化、虚拟化与智能化。
    1  我国发展现代集成制造系统技术的需求

    1.1  现代集成制造系统技术是制造业生存与发展的需要
    中国制造业与先进国家的技术差距严重制约了中国的国防能力和国民经济的发展,加入WTO将给我国制造业带来更加巨大的冲击和挑战。当前我国制造业的发展面临以下重要机遇与环境:(1)因特网和微电子技术的高速发展为我国制造业实现跨越式发展提供了机遇;(2)世界经济结构和工业格局正处于重大变动时期,我国将成为世界制造业中心;(3)加入WTO后,我国制造业必须全面融入到全球经济一体化中;(4)世界政治局势动荡,国防建设任务逐渐繁重。这些需求为我国制造业实现跨越式发展提供了机遇。
    为了提高我国的综合国力和制造业国际竞争能力,以国防现代化装备、重大工业装备、重大行业等为核心的制造业迫切需要应用现代集成制造系统技术武装制造业。例如,采用各种先进的产品设计技术、制造技术和相应的工具软件,大幅度提高企业的新产品开发和制造水平,增强企业的产品创新和技术创新能力,如:大型工程机械和先进数控机床;采用现代管理技术、现代电子商务技术及相应的工具软件,优化企业组织结构与资源配置,提高企业的管理水平和企业间的协作能力,实现集约化生产经营;采用系统集成与优化技术和集成平台,提高制造系统集成能力,使我国企业很快适应经济全球化的环境;采用流程工业综合自动化整体解决方案技术,提高流程工业生产的效率、效益和劳动生产率。实施制造网络系统可以实现全国制造企业互联,支持制造协同、资源共享和集成服务,将制造形成网络,从而提高整个制造群体的竞争能力。综合采用现代集成制造系统技术可以全面提高我国制造业的重大新产品开发能力、国防装备更新能力、劳动生产率等,实现提高综合国力的国家目标。
    1.2 提高制造业国际竞争能力需要现代集成制造系统技术
    a.新产品开发能力是企业核心竞争能力。制造企业参与国际市场竞争的基本形式是提供具有创新和自主知识产权的产品,因此制造企业对各种支持新产品开发的技术系统具有强烈的和持续的需求。在“十五”期间,制造企业将大量采用各类数字化产品设计工具系统,如三维CAD系统、PDM系统和虚拟产品样机开发支持系统等。
    b.采用先进的工艺和制造技术是企业快速响应市场需求的根本能力。产品加工工艺、制造系统支持和实现原材料向产品的转化,直接决定产品质量、交货期、成本等主要竞争要素。为了提高对市场的快速响应能力,企业迫切需求各种先进的产品工艺规划系统、车间生产过程管理系统、资源优化配置系统等。
    C.生产过程优化控制与制造执行系统(MES)和新一代网络控制系统是提高流程工业企业效益的关键。流程工业过程优化与制造执行系统MES、过程控制软件及新一代现场控制系统的研究开发与应用将直接决定我国流程工业参与国际竞争的能力。我国流程工业总体劳动生产率只及国外先进水平的20%~30%,因此“十五”期间将会大量应用高端先进控制技术、过程优化与制造执行系统软件等。
    d.先进企业管理系统实现制造资源优化配置。在全球市场竞争中,企业需要优化配置各类制造资源,实现集约化运行,并且提高与其他企业的合作能力。因此,制造企业对现代企业管理系统(如 ERP、CRM、SCM)的需求将持续增长。
    e.电子商务平台系统是企业开拓市场的有效手段。因特网的普及应用正在改变企业经营和交易方式。在网络上寻找客户。供应商和分销商,完成原材料采购产品销售和交易结算已经成为越来越多的企业开拓市场和开展商务的主要方式。
    f.集成平台是提高企业整体竞争能力的关键。激烈的全球市场竞争要求制造企业实现系统各部分的集成,达到整体优化运行。集成平台实现产品全生命周期内各阶段功能活动和资源的动态集成,支持企业内部与企业之间的合作协同。因此,企业内部优化运行、建立企业动态联盟都依赖集成平台。
    g.区域制造网络系统是实现区域性制造企业互连,支持制造协同、资源共享、集成服务的网络化的制造系统。他为全国制造业信息化工程提供使能平台,使所有能够上网的CIMS技术、软件系统。制造资源都可以通过网络进行集成和应用,将制造形成网络,从而提高整个制造群体的竞争能力;他有利于形成全社会的设计、制造、管理。供应的新生产的体系以及引导和支持实现信息化带动工业化战略目标的基础技术体系,有利于促进网络化环境下的企业间竞争与合作;他也是实现863高技术研究开发成果、制造资源和社会资源整合,加速科技成果产业化和制造业信息化工程实施的重要手段。
    h.区域经济和制造行业发展需要现代集成制造系统技术的支持。区域经济和制造行业(集团)是国家经济的重要组成部分,区域和行业联盟竞争已经成为全球经济竞争的焦点。我国制造业需要应用现代集成制造系统技术,促进区域间制造业资源合理配置及企业的联合与协作,提高区域创新能力和国际竞争能力,促进具有竞争优势的制造业产业群的形成。在结合国家老工业基地改造和结构调整、西部大开发和重点经济区域建设过程中,广大制造业必然需要应用现代集成制造系统技术。
    2 我国现代集成制造系统技术的现状和差距

    近10多年来,我国对制造系统集成技术给予了充分重视并进行了大量的研究开发与应用工作。我国自1986年以来在863计划的支持下,在发展我国现代集成制造系统技术研究、开发与应用方面取得了大量的研究成果和成功实施CIMS应用示范工程的经验。科技部在“九五”期间组织实施了CAD应用示范工程;总装备部(原国防科工委)在“九五”期间,组织实施了我国武器装备先进制造技术的发展项目。航空、航天、兵器、机械等许多行业和部门在“九五”期间均组织实施相应的行业性先进制造技术项目。国家计委、经贸委等部委在用高技术改造传统产业方面也推行了一系列计划。上述计划极大地推进了我国用高技术改造传统产业和实现制造业信息化的进程。主要研究与应用成果体现在以下几个方面。
    a. 围绕着CIMS的相关单元技术和系统集成与优化技术,攻克了从产品设计、制造到生产管理。企业经营的异构环境下的信息集成技术;研制出了基于软总线的CIMS集成平台/框架系统;突破了产品实现过程集成的并行工程关键技术,许多研究成果达到了国际先进水平。
    b. 开发出了一批有市场竞争能力的目标产品,形成了包括MRPII/ERP、CAD、CAP、PDM、RPM、数控、数据库管理系统、集成平台/框架、流程行业生产过程先进控制系统等1O个CIMS产品系列,重大目标产品已占国内市场的5%~10%,登记版权的软件产品34个,为促进形成中国的CIMS产业打下良好基础。
    c. 在全国2O多个省市、10多个行业的不同规模、运行机制、生产模式的企业中,成功实施2O0多个CIMS应用示范工程,有60%的国家重点企业已经不同程度地建立了企业信息管理系统;有1万多家企业通过CAD应用工程甩掉了图板,产品的设计制造周期缩短30%以上,间接或直接取得经济效益达100多亿元,这些企业的市场竞争力明显增强。更重要的是,用CAD、CIMS技术改造传统产业和提高企业市场竞争力的作用已被国内大多数企业所认识,越来越多的企业开始自觉地应用CIMS技术实现企业技术升级。
    d. 我国在流程工业综合自动化领域经过多年特别是在“九五”计划期间的研究和攻关,已积累了大量的科研成果,产生了大批具有产业化前景的高技术成果和产品。如集散控制系统(DCS)、现场总线技术、先进控制软件、实时优化软件、过程管理与优化软件、企业管理和生产调度系统软件等,已大大缩短了与国际先进水平的差距,其中DCS在国内市场占有率已由过去的完全被国外先进产品所垄断发展到目前达到35%以上。部分成果达到国际先进水平,并广泛应用于国内众多石化、化工、医药、冶金、建材、轻工等企业,产生了巨大的经济效益和社会效益。
    e. 在网络化制造和现代集成制造系统应用网络(CIMSNET)上开展了深入的研究与开发。CIMSNET是面向制造业的全国性虚拟网络,他是我国第一个以高技术为依托、面向制造业的专业性分布式应用型网络系统。基于CIMSNET开展了9个异地设计、制造和销售应用,为进一步深入开展网络化工程积累了宝贵的经验。另外,许多地区也开展了网络化制造技术的研究与应用,如广东省科技厅、广东工业大学等共同进行的“虚拟制造协作网”(CMC网),是一个基于因特网、面向中小制造企业的网络协作环境,旨在构造关联企业的动态联盟,提供制造技术尤其是产品设计技术的支持和协作平台,协助企业应用现代管理技术,促进商务合作的配对导航。
    尤其值得一提的是,我国在总结自己的CIMS研究、开发与应用的基础上,提出了“现代集成制造系统(CIMS)”的新概念及其技术方法体系,在国际上取得了一席之地,为制造业系统集成技术的进一步发展指明了方向。
    尽管通过CIMS应用示范工程实现了部分制造企业的信息化,但是从总体上来看,此规模与我国制造业的总体数量相比是很小的。我国目前有1.5万家大中型企业,仅有15%基本上实现了信息化,而中小企业实现了信息化的不到5%。据不完全统计,1999年我国CIMS软件的市场份额达8亿多元,其中国外软件占85%以上,而我国开发的CAD/CAM/CAPP/CAE、PDM、ERP等50多种具有自主知识产权的软件在市场上占的份额不到15%;除DCS以外,国产的先进控制(APC)、优化(PTO)、生产过程执行系统(MES)软件在现有的市场上所占的份额约10%,而且市场远未开发。
    虽然在过去15年里CIMS取得了巨大的成就,但在我国制造业信息化方面仍存在一些急需在“十五”期间解决的重大问题,如具有自主知识产权的软件产品应用面还比较小;尚未形成促进我国制造业快速发展并具有相对规模的设计与制造软件、管理与优化软件、软件工具集以及集成应用平台等。因此,我国在制造业信息化的研究和应用水平与发达国家相比还有较大差距,具有自主知识产权的CAD/CAM/CAPP/CAE、PDM、ERP、APC、RTO、MES等软件的成熟度还有待进一步提高,在市场上占有的份额还很少,特别是尚未形成一套支持企业实施CIMS的整体解决方案的工具集。可以说,我国制造业信息化还有十分广阔的发展空间。
    3 现代集成制造系统技术主题总体发展战略

    3.1 指导原则
    863计划现代集成制造系统技术主题的指导原则是:竞争驱动,系统发展,信息带动,升级跨越。即以增强我国制造业国际竞争力为目标,采用系统发展模式,用现代集成制造系统技术推进制造业信息化工程,提高我国制造业的综合竞争能力,促进我国制造业和相关高技术产业的创新与跨越发展。
    在“九五”期间863/CIMS主题工作的基础上,现代集成制造系统技术主题将从国家需求出发,立足于国际技术前沿和未来发展趋势,采用系统发展模式,用现代集成制造系统技术推进制造业信息化工程,提高我国制造业的综合竞争能力,实现制造业的创新与跨越;有重点地突破一批能够带动我国制造业发展和升级的战略性、前沿性和前瞻性关键技术,开发现代集成制造系统应用软件、平台及工具集;在重点行业和典型区域开展重大集成应用,形成系统,培养具有自主知识产权的软件产业,形成我国现代集成制造技术产业的群体优势,发展相关应用软件产业和技术咨询服务业。
    3.2 发展模式
    所谓系统发展模式是指以下含义。
    a.整体化综合治理方式。针对我国当前制造业的跨越发展和制造业信息化问题,采用多学科。多领域集成的系统解决方式,将设计制造技术、过程自动化技术、管理技术、电子商务技术、系统集成与优化技术等结合在一起,全方位整体考虑和综合解决制造业信息化的关键问题,走出一条具有中国特色的以信息化带动工业化的成功道路。
    b.分形化技术集成方式。在现代集成制造系统技术发展中,强调基于分形的多层次系统集成。由系统技术带动各单元技术的集成,而各单元技术系统内也逐层集成,自成体系,即由小系统集成为大系统,由集成化的单元技术系统构成现代集成制造系统总体系统。在部署主题的创新研究与关键技术攻关项目时,应当注意按此集成关系处理好项目间的集成与结合关系,成体系地创新发展我国现代集成制造系统理论方法与技术。
    C.集成化系统应用方式。在技术应用方面,以发展现代集成制造系统软件产品与集成工具集和开展重大应用示范为主线。将现代集成制造系统技术和软件系统地应用于我国制造业,注意企业设计/生产制造/管理/后勤的局部集成与企业内外部整体集成的结合、单元技术应用与系统集成应用的结合、单一企业应用与行业性或区域性应用的结合、制造业应用与流通领域应用的结合,用现代集成制造系统集成方法与整体解决技术方案来解决制造业信息化应用问题。
    d.系统化产业发展方式。在技术产业化方面,依靠具有自主知识产权的现代集成制造系统系列软件产品及工具集,系统地促进我国的现代集成制造系统应用软件业和新兴技术服务业的发展。其中包括系列化应用软件产品与专业化软件公司的培育、现代集成制造系统技术服务“人件”与系统集成咨询公司的培育、制造业信息化用户与市场的培育,协同发展我国现代集成制造系统相关软件产业与技术服务业。
    e.协同化组织实施方式。在各类项目实施以及项目间的协调过程中,注意将现代集成制造系统关键技术攻关、软件产品及工具集开发与企业应用紧密结合,配套组织项目及实施单位,相互促进,协同发展。
    3.3战略目标
    作为国家制造业信息化工程的重要组成部分,根据“有所为、有所不为”的原则,采用系统发展模式,从我国国民经济发展和国家安全的需求出发,现代集成制造系统技术主题的战略目标是:(1)以若干重大行业和典型区域的集成应用为突破口,用现代集成制造系统技术推进制造业信息化工程,提高我国制造业的综合竞争能力,实现制造业的创新与跨越;(2)突破一批对提高我国制造业综合竞争能力具有重要意义的战略性、前沿性和前瞻性的现代集成制造技术,开发具有自主知识产权的现代集成制造系统和技术,力争在具有相对优势的技术领域实现突破和跨越,达到国际领先或先进水平,形成我国现代集成制造系统理论方法与技术体系;(3)促进形成我国的现代集成制造技术软件产业及咨询服务业,打破国外的垄断地位,形成较大的市场规模和产业优势;(4)形成一套激励创新、持续创新的体系,培养一批从事现代集成制造系统技术研究开发及产业化的高级人才。
    4  现代集成制造系统技术主题的主要研究内容与关键技术

    4.1 设立现代集成制造系统技术主题研究内容的总体思路
    现代集成制造系统技术主题研究内容的设立思路为以集成应用带动系统研发、以系统研发带动技术突破、以原始创新促进技术发展、以重大应用和软件产业化工程促进制造业信息化高新技术产业的形成和发展。
    a.以集成应用带动系统研发。按照提高我国制造业国际竞争力的国家战略需求确定现代集成制造系统技术主题的目标;根据现代集成制造系统技术主题战略目标开展现代集成制造系统理论、方法研究和系统开发,并将所形成的理论、方法、模型、技术固化到基于三维产品模型的C4P系统、流程工业综合自动化的ERP/MES/PCS系统、基于先进中国管理模式的ERP/SCM/CRM系统、支持整体解决方案的PLM系统与制造网络系统等5大系统上。
    b.以系统研发带动技术突破。以5大系统确定软件构件,围绕软件构件和系统集成开展核心技术攻关,实现技术的创新与跨越,由开发取得的软件构件的集成形成5大软件系统,并通过5大软件系统的集成形成支持制造业整体解决方案的现代集成制造系统。
    c.以原始创新促进技术发展。通过原始创新,取得具有自主知识产权的技术和软件系统,具有国际竞争力,可促进现代集成制造系统技术的发展。
    d.以集成系统软件推动制造业信息化的发展。将所开发的软件应用于我国制造业信息化工程中,以集成系统软件推动制造业信息化工程的发展。
    e.以重大应用和软件产业化工程发展制造业信息化高新技术产业。开发形成若干重点行业现代集成制造系统和典型区域制造网络系统,显著提高我国制造业信息化水平和国际竞争力,在应用中丰富和发展主题开发的软件系统,并通过实施现代集成制造系统软件产业化工程,发展制造业信息化高新技术产业。
    4.2 现代集成制造系统技术主题的研究内容
    根据上述指导思想,确定现代集成制造系统技术主题的具体研究开发内容包括:数字化设计与制造系统、过程自动化系统、企业管理与电子商务系统、现代集成制造系统平台、制造网络等5大系统,以及多个重点行业现代集成制造系统、典型区域制造网络系统的应用。图1为现代集成制造系统技术主题研究开发的现代集成制造系统体系图。

 


    在现代集成制造系统软件的开发上,始终坚持面向提高我国制造业国际竞争力的需求,围绕形成我国制造业信息化工程整体解决方案,在平台技术的支持下和系统集成规范的指导下,按照可重组和可集成要求开发平台、子平台、子系统和应用软构件,保证现代集成制造系统技术主题的软件开发的整体质量,形成数字化设计与制造系统、过程自动化系统、企业管理与电子商务系统、现代集成制造系统平台,为我国制造业提供整体解决方案软件支持系统和工具。
    4.3每个系统的研究内容
    a.数字化设计与制造系统。主要研究开发数字化设计制造系统(C4P)和重大典型应用系统。数字化设计制造系统包括以产品3D数字化模型为主要特征的产品结构分析、工艺设计、数控编程(CAX)、产品数据和过程管理(PDM)、面向过程的优化设计软件工具(DFx)等软件包。重大典型应用系统主要面向重大产品虚拟样机、网络化制造和制造业信息化中的共性关键技术,包括基于KBE的系统功能仿真、产品虚拟实验的虚拟样机技术。制造过程仿真与优化的虚拟制造技术、网络环境下产品协同设计与制造准备等共性关键技术和高级应用软件系统。
    b.过程自动化系统。主要研究开发生产过程执行系统(MES)、过程控制系统(PCS)和基于以大网技术的现场控制系统。其中,MES主要包括先进计划与调度、先进建模技术与流程模拟、故障诊断与设备健康维护以及过程优化与价值链分析等;PCS主要包括先进控制与优化软件工具、实时数据库与监控软件,以及基于以太网和无线技术的现场设备、标准和控制系统等。
    C.企业管理与电子商务系统。主要研究开发支持企业现代管理与电子商务的基于主动成本控制/成本经营模式的中国式动态可重构CERP系统和支持企业内外部集成的基于XML的企业信息化集成平台,并开发面向供应链管理的企业应用系统、面向企业客户关系管理的企业应用系统、面向电子商务的企业过程重组的过程建模仿真与优化软件构件、面向产品全生命周期的质量管理构件、商务智能和群体决策支持构件以及相关重点行业和典型区域应用等。
    d.现代集成制造系统平台。主要研究内容包括面向形成行业整体解决方案,开展企业建模与诊断、过程管理与知识管理、集成平台等共性与支撑技术研究,开发形成支持现代集成制造系统整体解决方案的产品全生命周期管理PLM系统,并在现代集成制造系统技术主题重点支持的行业进行典型应用;开发形成支持制造协同、资源共享、网络化集成服务的制造网络系统,形成区域异地协同设计的制造网络系统、区域、和区域间资源共享和协作应用的制造网络系统、区域制造业全球采购和产品销售制造网络系统、现代物流配送的制造网络系统以及基于ASP的网络化制造服务系统等,实现区域内和区域间的资源共享,提高区域制造业创新能力,发挥区域制造业群体优势,促进产业链的形成。通过实现多个区域性制造网络系统的集成和制造业信息化工程服务支持体系的建立,逐步形成国家制造网络系统.图2和图3分别给出了制造网络的运行模式和体系结构。
 




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