并行工程研究論文

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內容提要：先進制造技術越來越受到人們的重視，其中比較成熟的并行工程哲理已經在國外推廣應用，國內也有些初步的成果。本文結合國內外的研究實踐，對并行工程的概況進行了較為詳細的介紹，并分析了國內外的差距所在，希望為并行工程的研究提供些有益的幫助。

主題詞：并行工程，虛擬制造，CAD

一、并行工程的定義

1988年美國國家防御分析研究所（IDA—InstituteofDefenseAnalyze）完整地提出了并行工程（CE—ConcurrentEngineering）的概念，即“并行工程是集成地、并行地設計產品及其相關過程（包括制造過程和支持過程）的系統方法。這種方法要求產品開發人員在一開始就考慮產品整個生命周期中從概念形成到產品報廢的所有因素，包括質量、成本、進度計劃和用戶要求。”【1】如圖1所示。并行工程的目標為提高質量、降低成本、縮短產品開發周期和產品上市時間。并行工程在實現上述目標中，主要通過以下方法【7】：

設計質量改進──使早期生產中工程變更次數減少50％以上；

產品設計及其相關過程并行──使產品開發周期縮短40％～60％；

產品設計及其制造過程一體化──使制造成本降低30％～40％。

圖1并行工程示意圖

二、并行工程在先進制造技術中的地位與作用

并行工程在先進制造技術中具有承上啟下的作用，這主要體現在兩個方面：

并行工程是在CAD、CAM、CAPP等技術支持下，將原來分別進行的工作在時間和空間上交叉、重迭，充分利用了原有技術，并吸收了當前迅速發展的計算機技術、信息技術的優秀成果，使其成為先進制造技術中的基礎。

在并行工程中為了達到并行的目的，必須建立高度集成的主模型，通過它來實現不同部門人員的協同工作；為了達到產品的一次設計成功，減少反復，它在許多部分應用了仿真技術；主模型的建立、局部仿真的應用等都包含在虛擬制造技術中，可以說并行工程的發展為虛擬制造技術的誕生創造了條件，虛擬制造技術將是以并行工程為基礎的，并行工程的進一步發展方向是虛擬制造（VM?/FONT>VirtualManufacturing）。所謂虛擬制造又叫擬實制造，它利用信息技術、仿真技術、計算機技術對現實制造活動中的人、物、信息及制造過程進行全面的仿真，以發現制造中可能出現的問題，在產品實際生產前就采取預防措施，從而達到產品一次性制造成功，來達到降低成本、縮短產品開發周期，增強產品競爭力的目的【19】。

三、并行工程的應用概況介紹

并行工程在美國、德國、日本等一些國家中已得到廣泛應用，其領域包括汽車、飛機、計算機、機械、電子等行業。例如：美國佛杰尼亞大學并行工程研究中心應用并行工程開發新型飛機，使機翼的開發周期縮短了60％（由以往的18個月減至7個月）；美國Mercury計算機聯合開發公司在開發40-MHzInteli860微處理芯片時，運用并行工程方法，使產品從開始設計到被消費者檢驗合格由原來125天減少到90天；美國HP公司采用并行工程方法設計制造的54600型100-MHz波段示波器，在性能及價格上都優于亞洲最好的產品，研制周期卻縮短了1/3；美國的愛國者防空導彈系統也是80年代后期運用并行工程方法迅速研制成功的【6】。美國波音公司在1994年向全世界宣布，波音777飛機采用并行工程的方法，大量使用CAD/CAM技術，實現了無紙化生產，試飛一次成功，并且比按傳統方法生產節約時間近50％。德國西門子公司下屬的公共通訊網絡集團（SimensAG,PublicCommunicationNetworkGroup）在開發復雜電子系統的核心子系統過程中，采用了并行工程的方法，取得了顯著的效果，在仿真階段共提出320份報告，發現并糾正了許多錯誤【17】。如表1所示，其他一些公司應用并行工程后也產生了巨大的經濟效益。

案例

成本

庫存

生產周期

開發周期

勞動生產率

HP公司

降低4％

降低7％

降低9％

縮短3％

上升30％

AT&T

降低6％

縮短8％

上升23％

麥道公司

縮短2％

迪爾公司

降低30％

降低60～70％

縮短6％

在國內，并行工程作為CIMS發展的一個新階段，得到了一些企業的廣為關注，其研究已于1992年底被列為國家863計劃自動化領域的重點研究內容。在國家科技部和863/CIMS主題專家組的領導下，1995年7月由清華大學、華中理工大學、北京航空航天大學、上海交通大學和航天工業總公司二院5個單位人員組成了“863/CIMS關鍵技術攻關棗并行工程”的技術攻關隊伍，以航天總公司二院的復雜結構件為應用背景，開展并行工程關鍵技術的研究與應用。經過近兩年的攻關，終于取得了重大進展。該項目在應用上有特色，在某些關鍵技術上已經達到國際先進水平，目前，該項目已經通過鑒定【17】。

雖然并行工程在實際應用中產生了如此巨大的效果，但是也還存在一些不易解決的問題，如：在設計中考慮后續工作增加了當前工作的難度，支持并行工程的主模型還未統一，工程數據庫還沒有完全成熟等。為此人們進行了大量的研究工作，本文的介紹只能是掛一漏萬的。

四、并行工程的研究熱點

通過查閱國內外文獻，了解到目前并行工程的研究熱點主要包括：

1、并行工程基礎理論的研究：主要包括概念設計模型、并行設計理論、魯棒設計及支持產品開發全過程的模型研究。尤其是并行設計的建模技術，所謂建模就是指建立產品模型，而產品模型包括產品生命周期各階段的信息及訪問、操作這些信息的算法。在計算機環境下，進行并行設計要求信息模型能夠獲取和表達產品信息、制造信息和資源信息；能夠方便地獲得有關產品可制造性、可裝配性、可維護性、安全性等方面的信息；能夠使小組成員共享信息。要滿足這些要求，必須建立一個能夠表達和處理有關產品生命周期各階段所有信息的統一產品模型。統一模型的建立可以在特征建模基礎上進行，但是特征建模只是強調設計和制造信息的集成，在多學科人員協同工作環境下，當產品開發某環節數據被改動后，它不具備自動更新相關數據的能力，即不支持所謂全相關性。國際標準化組織(ISO)提出的產品數據模型STEP標準是建立模型的工具，但由于產品數據復雜、多變此標準仍在試用階段。從支持并行設計建模技術研究現狀來看，目前的模型對詳細設計階段以及下游諸環節支持得較為充分，但在產品概念設計階段其信息描述能力較弱，這是需要深入研究的課題【9】。

2、制造環境建模：在并行工程中產品的設計階段就考慮制造因素，使得產品設計和工藝設計同時進行，因此，無論在產品的初期方案設計或詳細設計階段都要及時地進行產品可加工性及可裝配性的評價并生成合適的工藝，這就必然涉及到從現實制造資源角度評價所涉及產品的制造工藝性能，同時還要工廠、車間、工段的生產能力、設備布局及負荷情況等，這樣制造環境的數據和知識模型就是達到并行必不可少的部分。文獻【12】運用二叉樹及特征建模描述了制造環境建模情況。

3、面向并行工程的CAPP：傳統的CAPP不具備與產品設計并行交互的能力，不能對產品或零件進行可制造性評價并反饋結果，為實現計算機輔助并行工程，面向并行工程的CAPP是關鍵。為了達到這一目的，零件信息模型應是一個動態的數據結構，設計者可以在設計中的任何階段將設計結果移交工藝評價模塊，并根據評價結果修改模型或繼續設計；該模型應將零件功能與零件特征間建立一種映射關系；此模型還應便于多知識源的協同處理，一般可采用“黑板結構”，即一組負責相應功能的知識源系統在“管理者”的協調控制下，對領域黑板上的當前零件信息模型進行操作。文獻【11】給出了面向并行工程的CAPP體系結構及零件建模、環境建模等模塊的結構。文獻【13】以軸類零件為例，采用了鏈表作為數據結構表示零件的形狀特征等，但距離實用還有一定的差距。

4、DFX：在這一領域中，主要集中于DFM和DFA這兩個方向上。面向制造的設計(DFM)是并行工程中最重要的研究內容之一，它是指在產品設計階段盡早地考慮與制造有關的約束（如可制造性），全面評價產品設計和工藝設計，并提出改進的反饋信息，及時改進設計。在DFM中包含著設計與制造兩個方面，傳統上制造都是考慮設計要求的，但是設計考慮制造上的要求不夠充分，在DFM中必須充分考慮制造要求，一般通過可制造性評價來實現【14】【15】。面向裝配的設計（DFA）與DFM類似，它是將可裝配性在設計時加以考慮,設計與裝配在計算機的支持下統一于一個通用的產品模型，來達到易于裝配，節省裝配時間、降低裝配成本的目的【16】。

并行工程集成框架：所謂集成框架就是使企業內的各類應用實現信息集成、功能集成和過程集成的軟件系統。主要包括基于思想模型的輔助決策系統、支持多功能小組的多媒體會議系統、計算機輔助沖突解決的協調系統等。一般可以采用多媒體技術、客戶服務器模型進行開發，但在知識共享、多領域數據信息轉換、設計意圖表達等方面還沒有找到切實可行的辦法，建立一個包括信息集成、工具集成和人員集成的理想網絡環境仍是一個長期的努力過程。

6、沖突消解及知識處理、協同：在并行工程中產品的早期涉及階段能夠得到的信息大多是模糊和不確定的，僅僅運用經典數學的精確方法來處理往往不能真實地反映客觀世界的現實，具有很大的局限性，由美國自動控制專家L.A.Zadeh創立的模糊集理論在處理定性和模糊的知識方面顯示了強大的生命力，因此將模糊集理論應用于并行工程中的知識協同處理取得了良好的效果【10】。文獻【18】提出的一種新的設計知識的表示方法棗資源模型，對資源和資源間的運算關系進行了定義，對多功能小組、任務并行執行、質量管理、知識重用等進行了描述。

7、面向并行工程企業的體系結構和組織機制：主要包括人的集成（客戶、設計者、制造者和管理者）、企業各部門功能集成、信息集成及設計、制造工具集成的組織機制。

8、并行工程中產品開發過程的管理。

9、仿真技術在企業各部門及產品開發過程中的應用。

10、質量工程的研究：主要包括田口(Taguchi)方法、全面質量管理(TQC)及質量功能配置(QFD)。

我國的研究工作主要集中在高校中，據不完全統計如下表所示：

單位名稱

主要研究方向

清華大學

面向CE的CAD/CAPP/CAM的集成研究、DFM等

華中理工大學

并行設計的零件信息模型、面向CE的設備環境建模等

上海交通大學

面向CE的集成化設計信息模型及決策信息模型、DFA等

北京航空航天大學

CE中過程建模、過程管理及通訊技術研究等

西安交通大學

CE的過程模型與并行品質評價等

西北工業大學

并行工程中的模糊知識（信息）協同方法、QFD等

北京理工大學

面向CE的協同工作環境等

天津大學

智能工程知識處理及并行設計支持環境等

五、結束語

通過對比國內與國外的研究情況，我們發現目前我國并行工程的研究工作主要存在以下一些問題：

(1)研究的廣度和深度不夠：雖然并行工程的研究工作已經廣泛開展，但是無論從研究的內容上看，還是從研究的水平上說都明顯存在差距。如：并行工程在成本和質量上的應用才剛剛起步，與供應商的集成問題還沒有提上日程。

(2)與并行工程有關的技術實用化不夠：在實用技術研究方面，目前還沒有商品化軟件誕生，而國外公司（如：PTC的Pro?/FONT>Engineering、CV的CADDS5）已經推出商品化軟件。

(3)并行工程的實施隊伍不夠：由于科研力量薄弱，在研究上還不能全面開花，并行工程的實施就更是難上加難了。而且，當前國內機械行業在激烈的市場競爭中經濟效益不好，CAD/CAM技術還有待普及，全面實施并行工程還缺乏基本的物質基礎。

綜上所述，并行工程的實施將從根本上改變現行的制造模式，在國外已經取得了大量的成功應用，對此我們必須引起高度重視，跟蹤世界先進水平開展適合我國國情的研究工作，為并行工程在我國的廣泛應用打下堅實的基礎。

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THEGENERALRESEARCHSITUATIONOFCONCURRENTENGINEERING

ChenXiao-Chuan,ZhangBao-Bao,LiuXiao-Bing,FengXin-An

(DalianUniversityofTechnology,CIMSCentre,Dalian,116023)

Abstract:PeoplerespecttheAdvancedManufacturingTechnology(AMT)moreandmore.ConcurrentEngineering(CE)whichisoneoftheATMhasbeenusedinabroadandtherearesomefruitsinChina.Inthispaper,wegivethegeneralresearchsituationofCE.ThenweanalyzedthedifferencesbetweenChinaandthedevelopedcountriesinCE’sresearch.AndwehopeourworkisbenefitonpersonswhoresearchCE.

Keywords:ConcurrentEngineering,VirtualManufacturing,CAD