網絡化制造內涵及發展趨勢

引言在目前計算機網絡的迅速發展以及企業為適應新形勢下能實現利益最大化的雙重驅動力下，網絡化制造應運而生。網絡化制造的出現與發展，引起了全球制造領域的極大關注。1993年，美國政府在宣布“國家信息基礎設施（NII）”計劃時指出：“網絡將實現制造到流通的信息一體化；將實現遠程共享科學信息資源和儀器設備資源；將提高勞動生產率和工作效率，刺激經濟高速發展[1]。”隨著經濟全球化的推進，企業也面臨著全球化市場競爭，這對于企業來說既是挑戰又是機遇，而能否在這場戰役中取得勝利掌握、發展網絡化制造這一核心技術至關重要。制造業分類數字化網絡化制造是一項系統工程，既包含了產品全生命周期中從生至亡整個過程的縱向信息化，又涵蓋了制造業所有類別相互交織的橫向信息化。根據最新的《國民經濟行業分類》國家標準（GB/T4754-2002）之規定，制造業分為如下31個大類：1、農副食品加工業（原名食品加工業）2、食品制造業3、飲料制造業4、煙草制造業（原名煙草加工業）5、紡織業6、紡織服裝、鞋、帽制造業（原名服裝以及其他纖維制品制造業）7、皮革、毛皮、羽毛（絨）及其制品業（原名皮革、毛皮、羽絨及其制品業）8、木材加工及木、竹、藤、棕、草制品業（原名木材加工及竹、藤、棕、草制品業）9、家具制造業10、造紙及紙制品業11、印刷業和記錄媒介的復制12、文教體育用品制造業13、石油加工、煉焦及核燃料加工業（原名石油加工及煉焦業）14、化學原料及化學制品制造業15、醫藥制造業16、化學纖維制造業17、橡膠制品業18、塑料制品業19、非金屬礦物制品業20、黑色金屬冶煉及壓延加工業21、有色金屬冶煉及壓延加工業22、金屬制品業23、通用設備制造業（原名普通機械制造業）24、專用設備制造業25、交通運輸設備制造業26、武器彈藥制造業27、電氣機械及器材制造業28、通信設備、計算機及其他電子設備制造業（原名電子及通信設備制造業）29、儀器儀表及文化、辦公用機械制造業30、工藝品及其他制造業（原名其他制造業）31、廢棄資源和廢舊材料回收加工業（新增）以上制造業類別中各分類項獨自或者聯合幾項與信息技術、自動化技術、現代管理技術相結合，實現產品設計制造和企業管理的信息化、生產過程控制的智能化、制造裝備的數控化以及咨詢服務的網絡化，就形成了數字化網絡化制造系統。面對市場需求與機遇，針對某一特定產品，利用以因特網為標志的信息高速公路，靈活而快速地組織社會制造資源（人力、設備、技術、市場等），按資源優勢互補的原則，迅速地組成一種跨地域的、靠電子網絡聯系的、統一指揮的運營實體—網絡聯盟。網絡聯盟的組建是由市場牽引力觸發的，針對市場機遇，以最短的時間、最低的成本、最少的投資向市場推出高附加值的產品。而當市場機遇不存在時，聯盟解散，根據新的市場機遇重新組建新的聯盟，因而該聯盟是動態的。當然，動態網絡聯盟不排除合作過程中建立相互信任的良好關系，形成相對穩定的合作伙伴關系。網絡化制造概念如圖1.3所示。2、網絡化制造特征網絡化制造以敏捷化、分散化、動態化、協作化、集成化、數字化和網絡化為基本特征。（1）敏捷化敏捷化是網絡化制造的核心思想之一。生產制造系統在現今發展階段，面臨的最大挑戰是：市場環境的快速變化帶來的不確定性；技術的迅速發展帶來的設備和知識的更新速度加快；市場由賣方轉為買方，市場正逐步走向全球化；產品特征由單一、標準化轉變為顧客化個性化，產品的壽命周期明顯縮短；制造企業之間盡管不再是單純的你死我活的競爭，但競爭的激烈程度有增無減。所有這一切都要求制造業具有快速反應外部環境變化的能力，即敏捷化的能力。（2）分散化網絡化制造的分散化具體體現在兩個方面：其一是資源分散性，包括制造硬件資源（如設備、物料、人力和知識等）分散在不同的組織內、不同的地域內、不同的文化條件下等；另一是指制造系統中生產經營管理決策的分散化。（3）動態化網絡化制造聯盟是針對市場需求和機遇，面向特定產品而組建的。市場和產品是網絡化制造聯盟存在的先決條件，根據市場和產品的動態變化，網絡化制造聯盟隨之發生動態變化，市場和產品機遇不存在時，網絡化制造聯盟解散，根據新的市場和產品機遇重新組建新的聯盟。（4）協作化資源地充分利用體現在形成產品的價值鏈中的每一環節。產品從設計、零部件制造、總裝，直到產品銷售、售后服務，都需要網絡聯盟合作伙伴之間的緊密配合。這種協作化是一個快速響應市場，完成共同戰略目標的優化過程。（5）集成化由于資源和決策的分散性特征，要充分發揮資源的效率，就必須將制造系統中各種分散的資源能夠實現實時集成，分散資源的高效集成是網絡化制造的目標之一。（6）數字化借助信息技術，網絡化制造能夠實現真正完全無圖紙的虛擬設計、數字化和虛擬化制造，幫助企業形成信息化的組織構架，實現企業內部、企業與外界的信息流、物流和資金流的順暢傳遞，從而保證了產品設計與制造周期的縮短，降低成本，提高工作效率。（7）網絡化現代通訊技術的發展促進了網絡聯盟的形成。由于制造資源和市場的分散，實現快速重組必須建立在網絡化的基礎之上。因此，組建高效的網絡聯盟需要將電子網絡作為支撐環境，并充分應用現代化通訊技術與信息技術。數字化網絡制造模式目前，網絡化制造系統的基本模式有：基于Agent分布式網絡化制造模式和動態聯盟。網絡制造環境下，制造企業的組織形態、經營模式和管理機制需要有全方位的創新，使之適應網絡化制造的要求。傳統的組織結構相對固定、制造資源相對集中、以區域經濟環境為主導、以面向產品特征的制造模式已與之不相適應，需要建立一種市場需求驅動的、具有快速響應機制的網絡化制造模式，這將是當前乃至今后若干長的時期內制造業所面臨的最緊迫的任務之一，是制造業企業擺脫困境，贏得市場，掌握主動權的關鍵。隨著制造業從以生產為中心轉向以市場需求為中心，從以企業為主導轉向以客戶為中心，要求網絡化制造必須有柔性化和敏捷化的特征。這意味著網絡化制造系統必須具有動態易變性，能通過快速重組，以實現快速響應市場需求的變化。有利于制造資源與市場的全球分布性，因此，這種快速重組必須建立在全球性的分布式網絡化的基礎上。基于Agent分布式網絡化制造模式Agent概念最初源于分布式人工智能領域，用以表示具有推理決策與問題求解能力的智能邏輯單元。Agent之間通過計算機網絡連接，Agent作為網絡上的智能結點，構成分布式多Agent系統，其特點是具有開放性、分布式合作和適應環境變化的自組織能力。而任何規模、任一層次的制造系統都是由若干個完成不同任務的環節組成。各環節在獨立完成自身任務的同時，又相互協作，共同完成制造任務，因此，制造系統實現制造資源向產品轉身任務的同時，又相互協作，共同完成制造任務，因此，制造系統實現制造資源向產品轉化的整個過程是一個典型的多Agent協同求解過程。在基于Agent的制造環境中，同樣可以引入市場競爭機制，以經濟利益為紐帶，通過市場競爭中的招標-投標-中標方式，驅動各Agent之間的動態組合，達到制造系統的動態重組。一般而言，每個Agent都是自律的和彼此獨立的組件，但也可以擁有若干Agent作為自己的“友元”，建立一種相對緊密的關系。基于Agent分布式網絡化制造系統的模式見圖1.4。其中Agent的基本結構如圖1.5所示，每個Agent都擁有自己的局部數據庫（Access）。各Agent之間通過網絡相互傳遞消息，通過對各種類型消息的不同處理來進行合作與協調。從本質上講，任何規模、任一層次的制造系統都是由若干個完成不同任務的環節組成。各環節在獨立完成自身任務的同時，又相互協作，共同完成制造任務，因此，可以說制造系統實現制造資源向產品轉化的整個制造過程是一個典型的多Agent協同求解過程。制造環境中，一個Agent所代表的功能實體可以是制造組織、生產單元和軟件系統等。。一個工廠、一個制造企業就是一個典型的功能實體，一個功能獨立的車間、制造子系統、職能部門，一臺或若干臺制造設備均可以作為一個功能實體，這取決于Agent的粒度的選擇。Agent的粒度反映其功能實體的規模。功能實體的規模越小，制造環境中Agent的數目就越多，制造系統重組的靈活性增加，適應性增強，但系統的組織與控制的復雜程度也隨之增加,并使系統的運行效率降低。動態網絡聯盟1991年，美國政府為了在世界經濟中重振雄風，并在未來全球市場競爭中取得優勢地位，由國防部、企業界和學術界聯合研究未來制造技術，并完成了《21世紀制造企業發展戰略報告》。該報告明確提出了敏態靈活的虛擬組織機構（VirtualOrganization）或動態聯盟、先進的柔性生產技術和高素質的人員進行全面的集成，從而使企業能夠從容應付快速變化和不可預測的市場需求，獲得企業的長期經濟效益。其中的動態聯盟與虛擬組織結構或虛擬公司（VirtualCompany）是相同的概念，其含義是指企業群體為了贏得某一機遇性市場競爭，把一復雜產品迅速開發出來，并推向市場，他們從各自公司中選出開發新產品的優勢部分，然后綜合成一個單一的經營實體。該動態聯盟或虛擬企業的生命周期取決于產品市場機遇，機遇一旦消失，它即行解體。動態聯盟的基礎是企業聯盟網絡，聯盟網絡可以直接建立在Internet上，也可以建立在專用網上。常用的網絡聯盟的結構見圖1.6，網絡聯盟企業與傳統公司的根本差別見表1.3。隨著經營機遇、經營過程、合作伙伴、經營項目、核心資源、產品供應鏈以及風險和利益等關系的變化，網絡盟主的主導企業可能發生變化，“盟主”地位是動態的、輪換的。誰能最先抓住市場機遇，并對整個產品的概念和關鍵技術有所創新，誰就有可能優先獲得領導權，成為盟主。數控加工網絡化制造技術網絡制造模式反映了未來制造業聯盟企業的盟主、合作伙伴與用戶之間的合作趨勢與方式。其研究內容的涉及面很廣泛，包括計算機的信息傳遞技術、產品的設計與先進制造技術、企業管理技術、自動控制技術幾大領域的知識。具體需要解決的相關技術包括：異地三維可視環境的建立；產品圖形及仿真結果的網絡發布與瀏覽；數控代碼的網絡傳輸；工藝參數網絡優化與傳輸；異地過程監控模型；產品模型數據的異地修改；異地設計與制造的產品模型數據管理系統；網上交流機制；安全防范機制；產品信息交換；工藝設計和定義；工藝計劃和調度；車間管理與控制；人力資源管理；財務管理與控制；資產與材料管理；供應鏈管理、網絡和計算機系統；公共信息服務；制造知識庫；成本/支付能力；可生產性；解決用戶使用的產品維修信息等技術。本書主要是研究裝備制造業數字化網絡化制造技術。數控機床使用現狀數控加工作為先進制造的典型技術，是網絡化制造的重要手段，應隨市場的全球化、競爭的激烈化、需求的個性化、生產的人性化而體現出制造技術的信息化、科學化和服務化，但是在我國數控加工中卻出現了不盡如人意的現狀。80年代實行改革開放后，我國的制造企業通過不同形式，包括國家投資、中外合資、國內外貸款等，進行了大規模的技術引進和技術改造。我國第一個進行整體行業技術引進和改造的是上海機床工業，國家通過世界銀行貸款1億美元、國內配套約3億人民幣（當時1美元=2.8元人民幣）對上海機床工業進行了大規模的全面技術改造，主要引進了：（1）三臺加工中心組成的箱體零件柔性制造單元；（2）152臺高檔名牌數控機床；（3）102臺高精密機床和測量機器；（5）15套MRP-II系統。從技術進步的角度來看，上海機床廠和上海機床公司所屬的16家主要企業和研究所確實上了一個很大的臺階，與國外機床工業的差距大大縮小。隨后，長春第一汽車廠、洛陽第一拖拉機廠、沈陽第一機床廠、哈爾濱三大動力廠等也相繼引進了先進的制造裝備。但是，從1993年到1998年，中國的機床工業在激烈的市場競爭中連連敗北。在我國機床消費額有所增長的情況下，國內市場的占有率從80%下降到35%左右。上海機床廠制造的高精度、高效率機床同樣也賣不出去。與此同時，進口機床額從1990年的5億美元增加到1996年的25億美元左右，民族工業受到很大打擊。1998年，當國內機床銷售競爭加劇、市場低迷之際，美國著名的吉丁斯·路易斯公司卻看好時機，在上海成立了上海法道機床公司，年設計生產能力為500臺立式加工中心，將以低價位、高技術以及現代化的管理營銷理念進軍中國市場。法道公司一家的年產量將等于全國機床行業加工中心產量的總和，我國機床企業在國內市場上又遭遇新的強勁競爭對手。數控機床是組成先進制造業自動化系統的重要設備。我國數控機床的擁有量在機床中占25%，數控機床的研究和普及與工業發達國家相比，有很大的差距。在我國已經應用自動化技術的企業所使用的數控系統大多數是從國外進口的，國產數控機床所用的數控系統和伺服裝置，大部分是FANUC、AB、三菱、西門子等產品，嚴重制約了我國先進制造業生產效率的提高，阻礙了整體進行的效益和素質以及企業競爭力的增強。在我國的數控機床使用中，有些應用的很好，充分發揮了效益，而大多數卻存在開動率和利用率不高、經濟效益不理想等問題，造成資源的極大浪費，阻礙了企業競爭力的增強。在使用數控機床設備中又普遍存在5個“不用”的實際問題：（1）不會用——操作、編程復雜，會操作、編程的人員少；（2）不愿用——即使會操作、編程，對于單件小批量生產，由于編程繁瑣，技術人員寧愿安排使用普通機床加工；（3）不敢用——編程和控制稍有失誤，即造成設備和質量事故，即便采用空車運轉和軟材料試切，仍不能避免上述問題，特別是復雜或重要零件的加工，往往不敢用數控機床；（4）不能用——復雜工件的編程量較大，受控制系統容量限制而不能使用；（5）不好用——某些商品化編程軟件，只提供加工理想形狀的幾何仿真，不考慮工件實際成形的物理仿真和切削過程仿真，不提供切削參數優化功能，遇到大型復雜工件，即使計算機能夠自動生成數控代碼，操作者仍感程序調整困難。技術引進的先進制造設備，有的出現軟、硬件不是同一廠家產品現象，造成軟件部分功能與硬件不配套，甚至某些動作無法執行，或者系統軟件又缺乏硬件的一些功能指令資料及接口軟件等，影響了先進制造設備的開發工作。分析原因分析導致數控機床利用率偏低、使用范圍有限等現狀的原因，我們看到我國的數控技術資源分布不均衡是一個很重要的因素，往往是具有硬件設備，卻缺乏軟件力量。即數控機床的軟硬件資源、高素質人員（包括產品設計、數控編程、機床操作等人員）資源很難同時兼有而又達到親密配合程度。例如：數控代碼編程能力有限，致使數控機床的使用受到限制；代碼校驗需要軟材料試切，缺少自動檢查工具；數控切削的在線監測和分析手段不完善；切削參數出現變化時，不具備自調能力等等。根據我國數控機床實際生產和使用中所存在的問題，需要我們一方面亟待發揮、提高國產數控機床產品的功能與效率，提高售后服務質量和水平，擴大市場占有率；另一方面也需要“激活”企業現有的一批數控機床，充分利用并提高其功能與效率，使之真正發揮先進制造裝備的高效率、高功能作用。網絡制造技術應用于數控加工中的意義數控機床的使用技術不是簡單的設備使用問題，而是一項具有一定規模的系統應用工程。所以，不僅要在數控系統軟硬件上提高技術的可靠性和穩定性，還要在生產模式上發生改變。將網絡制造技術應用于數控加工中具有以下意義：

（1）生產管理模式的創新

擁有數控加工裝備的網絡聯盟企業是若干企業的聯盟，同時它把市場中的輸入方（供應商）和輸出方（顧客）都納入相互結盟的、共擔風險共享利益的、統一的商務活動之中，形成一個完整的商務概念和網絡經營環境，從而使企業的生產管理出現了新模式，為企業向全球化發展奠定基礎。（2）利用軟件資源提高設備使用率Pro/E、UG、MasterCAM等商品化軟件的出現為先進制造特別是數控加工增添了活力，它們可完成產品的三維設計、NC代碼自動生成、代碼校驗仿真以及有限元分析等工作。但是，購買該類軟件費用昂貴，高達幾十萬甚至上百萬。使用網絡制造技術實現該類軟件各功能模塊的網絡發布與瀏覽，不但可使企業節約軟件購買費用，還可以使技術工人省去繁瑣的數控編程和軟材料試切等過程，實現網上NC代碼生成和網上走刀軌跡校驗，驗證正確性后直接投入生產，從而提高數控機床的使用率。（3）有利于人員的技術培訓人員素質在先進制造中起的作用相當大，他可以主觀的決定是否使用先進制造設備。所以，提高技術人員素質勢在必行。但是培訓技術人員，勢必需要投入大量資金，而且在短期內還很難見效。實現網絡化培訓可大大緩解這一矛盾，可使員工在任意時間均可得到技術訓練。（4）實現資源共享產品的加工信息、物料流動、經驗交流等可公開性資源可以實現網上共享。另外為先進制造開發的CAD/CAM/CAE軟件資源也可以集成到網絡上，實現多節點、多企業使用，在一定程度上解決資源分配不均的問題。（5）順應未來制造業發展趨勢未來制造業的高技術化、產品日益多樣化、對市場反應靈敏化等要求，都需要實現數控加工等先進制造技術的網絡化。（6）符合華人制造業特點我國大陸的主要優勢是：有相對雄厚的科技人才和科技力量；有數量眾多又勤勞簡樸的勞動力；還有巨大的國內制成品市場。港澳地區的主要優勢是：有善于在國內外市場上經營的管理人才和管理經驗；有靈通的經濟技術信息；有廣泛的貿易網絡和貿易渠道；有健全的金融機構、豐富的融資經驗和融資能力。臺灣地區的主要優勢是：有善于經營的管理人才和管理經驗；有相當廣泛的貿易網絡和貿易渠道；有相當規模的科技力量；有相當規模的資金；在制造業的某些領域也有相當的實力和基礎。所以，集眾家制造特點之所長，建立華人制造業先進裝備網絡，有利于提高我國制造業的競爭力。綜上所述，網絡化制造是基于網絡的制造企業的各種制造活動及所涉及的制造技術及系統的總稱[2]。網絡化制造有著豐富的內涵，其內容還在不斷豐富的過程當中。所具有基本特征主要有：1、基于網絡的先進制造模式，企業通過互聯網，企業內、外聯網組織并管理；2、快速響應市場需求；3、資源整合共享，節省成本；4、突破了地域和時間的限制等特征。網絡制造關鍵技術及現如今存在的發展瓶頸

在網絡化制造的研究與應用中，涉及大量的組織、使能、平臺、工具、系統實施和運行管理技術，這些技