苏贺基于数字化模式的车间管理系统研究.docx
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苏贺基于数字化模式的车间管理系统研究
第1章绪论
1.1概述
数字化制造技术作为现代先进制造技术最为活跃的领域，在促进产品更新、生产发展中起到重要作用，先进技术也是国际间技术竞争的重要手段，现在很多工业化国家已经把数字化制造技术列为关键高新技术和优先发展的项目，受到各国家科学技术相关部门极大的重视和关注[1][2]。
制造业是其他产业的支柱工业，制造业支持其他各种产业的发展，制造业为其他产业提供尖端的技术，提供专业的加工和生产设备，为其他产业供应高水平的通用设备，一个国家的制造业的发展水平很大程度上决定了这个国家的经济发展和科技发展。
科学技术迅速的发展，复杂的新生产品越来越多，随着产品市场的变化，产品市场寿命周期越来越短，更新换代的加速，传统的大批量的生产方式遇到前所未有的挑战[3-5]。
因此，要求企业从“单品种、大批量、周期长”向“多品种、小批量、周期短”方向发展[6]，尤其对于制造业来说，如何整合有限的资源，有效地控制产品的生产成本，缩短产品的制造周期，确保交货准确及时，提高企业信誉和综合素质，增强企业核心竞争力和可持续发展能力，成为在激烈竞争中生存的一个重要条件。
在新环境下，原来的生产制造方式不足以满足现代生产制造的要求，促使制造企业运用信息化手段改造传统的生产经营管理方式。
因此，相继出现了诸多新理念的生产经营管理方式，如CIMS、ERP、MRP、MRPⅡ、JIT、OPT、LP等，实现生产制造过程准确、有序、快速地进行，为提高管理企业经验管理水平奠定了坚实的基础[7]。
车间是企业直接从事生产活动的单位，是制造计划的具体执行者，也是制造信息的回馈者，是保证产品交货期的重要场所。
数字化车间管理是指在己有的车间组织、生产资源及信息的基础上，确定车间的生产顺序的过程，保证车间的生产，使得车间生产在质量、成本、时间、柔性等方面均达到最优。
车间管理是企业管理的核心之一，数字化车间管理系统是企业信息化建设中的关键之一，车间管理的好坏直接反映整个管理系统的实用性，对车间的管理程度成为区分各种管理系统的重要标志。
因此，数字化车间管理越来越受到各界人士的关注。
1.2数字化模式车间管理的提出与国内外研究现状
1.2.1数字化车间管理的提出
随着市场环境的复杂化发展，客户的需求日益个性化和多样化，制造业的运行方式受到了网络技术、无线通信技术、计算机技术迅速发展的影响。
外部环境的变化使历史悠久的支柱产业受到了前所未有的冲击，同时也为制造业的发展指明了新的方向[8-9]。
现代制造业具有以下特点：
1）产品开发时间短。
面对市场信息稍纵即逝的形势，要求制造企业必须快速准确的获取信息，且能以最快的速度响应市场需求，随之更新产品，以适应全球化的市场竞争随时满足用户的需求。
这也是当今企业在竞争中取胜的关键。
2）产品形成全生命周期质量管理化。
传统制造业通常仅仅指产品的加工技术，是生产过程的一个步骤。
在现今剧烈的市场竞争的环境下，产品本身的质量只是客户选择产品的因素之一，产品的个性化设计、供货时间快慢、售前售后的服务等成为能够左右其选择的重要因素。
产品只有最大限度的满足客户的个性化需求才有绝对的竞争优势。
因此，现代制造业的市场研究、方案的设计、产品制造、销售、运输与安装、培训与使用、现场维护、报废和回收进行全面的全生命周期质量管理[10]。
3）制造方式网络化、全球化。
每个企业都有自己的优势，在产品生命周期的每一个环节都要求达到完成的尽善尽美，所以利用数字技术和网络技术的各种技术资源，人力资源组合、组建动态联盟、互相学习，共同创造完美的产品。
4）小批量定制生产成为市场趋势。
经历了大批量生产的时代，目前的生产规模是面向小规模地址时代发展。
个性化需求市场份额主见扩大，但单一的产品需求不大，生产任务呈现出任务周期紧，生产计划变化频繁等特点。
目前迫切需要制造业的灵活性以适应这种个性化产品的生产[11]。
从以上21世纪制造业的特点可以得出，新的生产方式必须是以客户为导向，信息化程度的深化、协同化的制造生产过程。
因此，建立一个以客户订单为驱动的数字化车间管理，是发展现代制造业必须采取的路线。
1.2.2国内外研究现状
目前数字化车间管理技术已经作为提高企业与其产品竞争力的重要手段，尤其是在工业技术先进的国家。
虽然数字化制造作为一个整体的概念刚提出不久，但数字化制造的一些基本理论和基本概念已被日程进行研究，并取得初步成功。
数字化制造技术在数字化设计、数字化制造、数字化产品、信息交流与合作、数字化管理等方面，有不同程度的发展[12]。
美国通用汽车公司应用数字化制造技术，将汽车的开发周期从原来的48个月缩短到24个月，碰撞实验结果从原来的几百次降为几十次，通过应用电子商务技术销售成本降低10%；美国的Exxon-Mobile石油公司应用先进自动化技术，使企业效益提高5%-10%；美国的UGSTecnomatix公司和达索Delmia公司等长期投入研究虚拟制造的公司，研制出满足虚拟制造要求的数字化车间管理软件，这些公司经过重新组建将许多小的专业软件公司合并，形成数字化车间的全套系列软件。
比如车间和生产线的规划仿真、质量控制、生产工具和工艺规划等软件模块，可以满足用户不同的需求。
数字化车间技术已经得到了广泛的应用并创造了可观的效益，在汽车、航天、医疗、重型设备甚至机器人等行业均成功的实验并投入实际的生产操作中，如BMW、Honda、Ford、ABB、波音公司欧洲航天局、Robitics都在数字化车间领域取得丰硕的效果。
德国大众上海分公司采用的数字化车间管理软件成功的对发动机生产线进行设计及和优化，成功的完成大众车身设计的方案实施[13]。
数字化车间管理技术进行车间的布局设计也有应用的实例，虚拟环境下的设备布局设计和物理系统的完善也都可以在数字化车间管理系统中得以实现。
1996年，国外Wilson等人在RoverGroupPowertrain项目中，采用数字化车间管理技术应用于技术人员的交流、潜在问题的查找和方案的评价，这项研究表明虚拟设计技术已经成为工程人员一个有力的辅助手段。
随着应用需求的增加，一些CAD系统软件也加入工厂规划的插件或模块，比如CATIA的PlantLayout，也有一些利用3DMAX类似软件进行的3D布局规划，只不过这些软件系统缺乏了虚拟现实系统的实时性，因此一些专用的布局或物流规划的软件应运而生，如QUEST，ModelFlow等[14]。
此外国外也有一些研究项目使用嵌入式系统和桌面系统，病进行了对比，得到结论的认为使用HDM的嵌入式系统更能满足使用需求，应该全面的推广和应用。
现阶段，国外的研究趋势已经更加趋向于全面整合虚拟系统和物理系统的方向。
增强现实式的虚拟现实技术指导与培训工人作业目前是这方面的热点。
ChristophRunde等人设计并开发了一个虚拟系统进行控制车间的生产调度，此系统支持多个用户同时进行活动，可以对数控机床进行远程遥控，也针对于人员的培训有一定的辅助作用。
HansooKim等人用VRML技术开发300mm的品片数字化制造车间仿真系统，包含了20多台品片生产设备，应用该系统工程人员可以通过网络修改设计、进行仿真。
BMW宝马公司在设计汽车门窗装配的辅助虚拟系统中，他们利用声音补偿了力反馈系统的缺失，基于网络的、分布式系统的开发，协助不同地点的技术人员协同工作并进行远程的监控和指挥。
Schacfer等人设计的ModFact虚拟工厂系统和LON（LocalOperatingNetwork局域操作网络）进行连接，以控制物理生产系统。
Dong-SungKim等人实现了使用MMS（ManufacturingMessageSpecification制造报文规范）标准实现了虚拟设备和真实设备的通讯。
HansooKim等人设计的通过Http连接的试验系统，通过局域网络与机床进行互动；AndraLasso等人设计的系统能够通过网络远程遥控机器人。
在国内，从90年代初期开始，清华大学CIMS中心及其它大学的研究所也逐步投入到数字化生产线的研究中。
由清华大学自主开发的IMMS系统能够用于制造车间的设计；由南开大学研发的施行车间调度仿真的JobShop调度仿真软件；清华大学与航天部204所等其他单位共同开发的FASE，并且在此基础之上开发并实现了智能规则调度系统。
清华大学的赵骥等人应用WTK和Agent的方法成功设计了数字化生产线系统。
北京理工大学的孙连胜等人开发的生产线可视化设计系统，可以通过2D和3D映射进行设计。
上海交通大学的邵立等人也利用虚拟现实技术对原有的曲轴线进行了评价和改造，提高了设备的利用率。
但这些系统都由于各种的原因，没有得到广泛的应用，有些甚至己经停止了后续的开发[15]。
目前国内虚拟现实技术进行车间布局规划的应用，仍然在试验和研究的阶段，也缺少国外工业巨头（如前文提到的波音、BMW）公司的实际应用。
不难看到，国外同行的研究历史长，投入比国内多，其成果是多年投入资金和学术经验的积累，要赶上国外的先进水平在短期内难以实现。
本文针对数字化车间管理及数字化虚拟制造领域做了一些探索，希望能起到积极的参考作用。
1.3论文研究的目的与意义
近年来网络技术和信息技术的飞速发展，使传统的制造业及制造技术发生了革命性的变化，新思想新概念和新的制造模式及技术层出不穷。
任何现存的先进技术都有可能随着时间的推移而逐步失去其先进性[16]。
随着科学技术不断进步、生产水平日益提高，市场需求趋于多样化，客户对产品质量、供货速度、供货价格要求越来越高，促使企业间的竞争越来越激烈。
因此，要求企业从“单品种、大批量、周期长”向“多品种、小批量、周期短”方向发展[17][18]，尤其对于制造业来说，如何整合有限的资源，有效地控制产品的生产成本，缩短产品的制造周期，确保交货准确及时，提高企业信誉和综合素质，增强企业核心竞争力和可持续发展能力，成为在激烈竞争中生存的一个重要条件。
在新环境下，原来的生产制造方式不足以满足现代生产制造的要求，促使制造企业运用信息化手段改造传统的生产经营管理方式。
因此，相继出现了诸多新理念的生产经营管理方式，如CIMS、ERP、MRP、MRPⅡ、JIT、OPT、LP等，实现生产制造过程准确、有序、快速地进行，为提高管理企业经验管理水平奠定了坚实的基础。
现阶段，作为国民经济的支柱产业之一的制造业正面临着经济全球化带来的机遇与挑战，因此越来越多的生产制造企业响应国家以“信息化带动产业化”的号召，加入了使用ERP（EnterpriseResourcePlanning）系统的行列。
ERP系统在纵向范围上对整个企业的决策信息、管理信息和操作信息等相关信息进行了整合，缩短了决策层与操作层之间的距离；在横向范围上对企业的生产控制、物流管理、财务管理和人力资源管理等功能进行了优化[19]。
然而，ERP系统仅通过BOM（BillofMaterial物料清单）来实现对车间生产制造的管理和控制，缺乏有限资源调度能力、实时生产控制能力和生产现场反馈能力，很难及时、准确地反映当前生产计划的具体执行情况[8]。
对于制造业来说，尤其是像装配车间这样在工艺、时间和空间上都存在间断性的离散型车间来说，在具体运行的过程中并不十分适用。
所以，将理论知识与企业实际相结合，有效地利用现有资源，合理制定企业和车间生产计划，对企业进行信息化管理，集成企业内部信息，提高企业效益，增强企业竞争力，开发出适用性和通用性比较强的生产车间制造管理系统[20][21]。
数字化车间管理技术改变了传统的设计理念，将设计及规划从传统的经验和手工方式，转化为以计算机为辅助的数字仿真与优化，实现更为精确可靠的规划设计，在时间、质量和成本方面数字化车间管理技术体现出重要的意义：
1）时间：
缩短了试生产的时间，缩短了工艺规划的时间，减少生产准备的周期；
2）质量：
提高了规划的质量，提高了产品数据的统一，提高了变型生产的效率，优化了生产线配置；
3）成本：
减少物理原形的使用，减少了工程的更改量，降低了设备人员投入。
因此，数字化车间管理系统的研究和应用在制造业上有着举足轻重的作用，尤其是在我国现在的科技发展程度上，尤其需要制造业的数字化加工和生产。
本文对于数字化车间管理系统的研究也正是在这基础和前提下，为了提高生产效率，同时也是对企业知识产权的一种保护，对于现代的制造模式具有深远的意义[22]。
1.4相关理论
1.4.1设计模型概述
模式（patten）是为了实现一些目标的技术途径，而用以解决问题的一种方法。
所谓设计模式（designpattern）是指为了实现预期的目标，使用的方法和类的方法。
因此得出设计模式的定义：
在固定场景中，在面向对象的角度进行设计，描述了对应的类和相互关系的对象的设计模式[23]。
在应用设计模式时，为了达到预期目标而使用的方法，做出了一定的限制：
第一，对于充当的角色、担负的职责和相互协调合作的方式，限定了类和对象之间的关系；第二，对于在设计主要问题的关键点时，限定其使用说明，也就是使用的时间、使用的方法、试用的效果如何，当设计约束发生变化时，也要进行相应的说明，设计约束发生什么样的变化还可以继续使用原有的设计模式及其发生变化之后会得到的效果。
为了方便使用和提高利用效率，设计模式就是以这个为目标对设计经验进行记录。
为了保证系统的复用性，设计模式可以帮助使用者选择更好的设计方案。
设计模式的目的也不尽相同，根据不同的目的。
关于对象的创建的设计通常称为创建型（Creational）；在对于类和对象的组合进行处理的设计时通常使用的是结构型（Structural）；在描述类和对象怎样交互和分配指责时使用的设计为行为型（Behavioral）[24]。
1.4.2数字化模式
数字化模式就是通过数字化的手段，简单而直观的描述客观事物，包括事物的内部和外部机制，是一种被简化的理论形式，使用数字化方法向人们展现事物的整体内容。
一个适当的模型框架的建立，需要不同模式的重复使用，数字化模式是通过使用几种模式的结合的一种模式，在一个系统中，不同的子系统会应用到不同的框架模式。
在一个计算机网络环境下，数字化的开发一个系统软件，结合的实际情况，对原有的模式进行抽象和升华，当一种事物不断的重复发生的时候，我们就可以发现其中的规律，这种规律的总结和经验的积累就是数字化模式。
在系统软件设计中，某一种问题会重复的出现，那么这个时候就需要我们应用数字化模式，对这种问题的解决方法进行总结和归纳，由于系统设计过程中解决问题的目的和使用环境不同时，我们对于这个问题的分析也会不同，在什么样的环境下，出现了怎么样的问题，需要什么样的方法解决，面对这三个部分，就出现不同类型的数字化模式。
在数字化车间管理系统中，本文针对项目开发的过程中的实际情况，应用的数字化模式主要是，软件系统过程模式、软件架构模式、分析与设计模式和集成模式[25]。
1.5论文研究内容
本文通过分析数字化制造的发展现状、主要特征和数字化制造系统的体系结构，进而针对数字化生产车间管理系统进行模型构建、体系结构分析、车间组织模式设计，并且对于软件实现体系进行研究和分析。
主要研究内容如下：
1）针对离散事件建模的主要建模技术的研究。
研究离散事件的主要建模技术，分析离散事件建模技术的特点，在这些研究的基础之上，找出更为合适的建模方法，对数字化车间管理系统进行建模。
2）数字化车间管理系统理论体系研究。
在分析现有车间管理系统存在的问题的基础之上，提出构建数字化生产车间管理系统，设计数字化车间管理系统的功能模型，构建理论体系结构，改进数字化生产车间的组织模式。
3）数字化生产车间软件实现体系的研究。
在对于数字化车间管理系统理论体系研究的基础之上，分析现有的软件实现方法和技术，依据可重构、可重用、可扩充的设计准则，分析设计数字化车间的软件实现体系结构。
4）设计并开发数字化车间管理系统的主要功能模块。
在研究数字化车间管理系统软件实现体系结构的基础之上，研究数字化车间主要功能模块的设计和各个模块集成。
其中包括：
（1）车间资源管理模块；
（2）车间现场管理模块；
（3）产品管理功能模块；
（4）车间计划与调度模块；
（5）车间条码管理模块；
（6）车间DNC管理模块；
（7）车间网络化监控模块。
1.6论文结构
第1章介绍了制造业信息化发展的概况，分析了国内外数字化车间管理系统的研究现状和存在的问题，指出了离散型车间管理系统的发展趋势，进一步提出开发研究基于数字化设计模式的数字化车间管理系统的意义和论文的主要内容。
第2章对数字化车间管理系统理论体系的研究，分析数字化车间管理系统的运行逻辑，数据流分析。
基于网络化技术的系统的目标与框架的设计，针对需求分析了，数字化车间的Top-Down结构，以及数字化车间的软件构架。
第3章根据车间详细的调研结果，根据数字化车间的具体情况和生产特点，建立数字化车间的生产、业务、活动过程和信息模型，针对数字化车间采用UML方法对车间模型进行用例分析，分析车间的网络环境选择最优的设计方案，并进行模型分析数据处理。
第4章分析系统的需求，对数字化车间管理系统进行功能分析，阐述数字化车间管理系统的总体设计思想，对系统进行功能模块和结构设计，并采用“E-R模型”的数据库设计方法，完成了数字化车间管理系统数据库设计。
第5章系统功能的实现，对系统角色功能进行分析，系统的体系结构进行设计，结合角色和用户需要分析系统的运行，对系统的运行环境设定和应用实例的展示。
第6章总结论文的研究内容，进一步展望了接下来的研究工作。
本论文内容组织框架如图1.1所示：
图1.1论文结构框架图
1.7本章小节
本章主要介绍数字化车间管理系统的课题来源、背景、目的、意义研究以及论文主要研究内容，分析了信息化发展概况以及制造业信息化存在的问题和国内外数字化车间管理系统的研究现状，阐述了研究开发基于数字化设计模式的车间管理系统的重要性，并介绍了各章节的主要内容。
第2章数字化模式体系与车间管理系统理论的研究
2.1数字化模式与数字化车间技术
数字化车间技术应用在产品的制造、装配和质量控制的过程中，实现产品全生命周期中各个阶段的功能，当产品开始设计直到制造加工的完成，数字化车间技术以解决工厂与生产线的转化过程为目的，尽量把产品在设计和制造生产的不确定因素降低，在生产制造之前，数字化技术可以虚拟化制造过程使这个过程压缩和提前，还可以在数字空间中检验生产和制造的过程，通过这样的手段，提高系统的可靠性，同时也提高了产品的制造效率。
根据数字化车间的特点，我们可以说数字化车间就是在虚拟制造的基础上，把产品全生命周期产生的相关数据作为依据，在网络化环境中，对产品的加工和生产进行同步的仿真、评估和优化，形成了一个新的生产组织方式，能够跟踪式的对产品全生命周期进行设计。
现有的研究成果显示，数字化车间在应用和研究的方向上的不同，我们可以从广义数字化车间和狭义数字化车将两个方面进行定义[26]。
1）广义数字化车间的定义为：
以制造产品的企业和提供服务的企业作为核心，由企业及一切相关联的成员（包括核心制造企业、供应商、合作伙伴、软件系统服务商、协作厂家、分销商、客户等）所构成的、使所有相关信息都数字化的动态组织方式。
这个概念源于“大制造”的思想，意图将一切与产品相关的活动和过程全部包含进来。
广义的数字化车间包括的企业行为是，核心制造企业主要对产品的设计、零件的加工、生产线的规划、物流的仿真、工艺规划和生产调度以及优化等方面进行优化、仿真、实际控制和管理。
2）狭义数字化车间定义为：
以制造资源（Resource）、生产操作（Operation）和产品（Product）作为核心，在生产过程中，将产品设计数据进行数字化处理，在现有的与实际制造系统相匹配的虚拟现实环境中，进行计算机优化仿真的虚拟制造方式。
数字化车间技术是结合计算机技术和网络技术，能够实现产品生命周期中设计、制造、装配、质量控制与检测等各个阶段的功能，从而实现减少新产品上市的时间、降低制造成本、优化设计过程、提高生产效率和质量。
数字化车间的系统结构，包括产品的生产计划、工艺规划、工艺分析、工艺审查、物流仿真、生产线规划、生产线优化等部分，在产品的设计和产品实际加工二者之间构建一个桥梁[27-29]。
2.1.1数字化系统过程模式与车间管理技术
为了保证工程达到预期的进展效果，从而提出了系统过程模型的概念。
系统过程模型是在软件工程的开发过程中，使用的一种策略，为开发的各个阶段提供一套模型。
一个系统软件的开发中，合适的过程模型的选择是十分重要的，无论系统的大小，过程模型的选择必须针对项目的性质和特点，采用合适的方法，同时要考虑产品和项目的需求特点。
如果选择了错误的模型，将会导致我们的开发方向错误[34]。
目前的软件过程模型有以下几种：
（1）传统生存周期模型
也称为线性顺序过程模型或瀑布模型。
这种过程模型提出软件开发的顺序化和系统化的方法。
这种过程模型应用的历史比较久也比较广泛，其流程从系统开始，随后是需求分析、设计、编码、测试、支持。
该模型的优点是：
①这个模型结合了设计、编码测试、分析和支持的方法，提供了一个共同指导的平台。
②限制了软件开发过程中的随意性。
但是该模型具有一定的缺陷：
①在实际应用中，项目在进行时，情况比较复杂，并不一定都满足模型要求的顺序，由于模型中间接的的迭代关系，因而如果在应用中发生一点变化，可能会造成系统内部很大的混乱。
②在实际项目进行中，客户的需求并不能够清楚的表达出来，而这种模型要求客户能够按照顺序描述模型，这也是很多人不选用这种模型的原因。
③这种过程模型需要到开发周期快结束的时候才能看到程序的运行情况，由于不能及时的看到程序的测试版本，会降低客户的信息，如果这个时候出现失误会对项目的进展带来灾难性的后果。
（2）增量过程模型
增量过程模型是一种线性序列，这种线性序列随着时间日程的进展发生相互交错和穿插[30]。
在使用增量模式时，模型中的每个序列都产生一个“增量”，这个增量是可以发布的，所以这种模式在使用时，软件产生的第一个增量是至关重要的，也就是核心，这个核心需要实现基本的需求，但是软件中的其他的特征却并不能发布出来。
这种序列产生的增量是不断重复的使用，需要客户对每一个增量进行评估，使用和评估之后，这个增量在下一个增量发布时就具备了新的特征和功能。
增量模式发布的产品过程中，每一个增量都是一个可以重复使用的可操作的产品。
该模型的优点是：
①不需要大量的安排人员进行设计，设计过程中可以灵活的分配人员，可以在产品收到使用效果之后，再进行下一个增量的实现。
②如果不能按照预定的期限完成产品的设计时，这种模式可以将产品的核心提前推出，这样可以使客户看到核心的内容，通过这个途径增强客户的信心[31]。
该模型的缺点是：
①在完善的软件被开发出来之前，需要开发者和客户不断的沟通和交流。
②项目的评估因为多次增量的发布很难跟随项目的进度而进展。
2.1.2数字化分析与设计模式与车间管理技术
对现行系统的深入调查是我们对系统分析的主要任务，研究所调查的文档资料，同时对组织内部整体管理状况跟信息处理过程集中分析。
以上的调查研究分析是为了系统开发收集资料，通过调查研究，整理出较完整的系统方案说明书[32]。
对于业务全过程进行分析是系统分析的角度，其主要任务有：
是否有通畅，合理的业务和数据的流程，分析数据业务过程和管理功能之间存在的关系；对原系统管理模式改革和新系统管理方法的实现的可行性进行深入研究等。
设想提出各种信息系统的方案，而且进行分析，研究，比较，判断和选择所有的设想和提出的方案，从而获得一个新系统最优的逻辑模型，并且在用户理解了计算机系统的工作流程还有处理方式的条件下，把一系统的供暖工作流程和处理方法在书面资料上表达出来，并用一系
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