先进制造系统的生物型模型(by AMT 顾新建)

先进制造系统的生物型模型

by AMT 顾新建

摘要 本文采用生物型模型对各种先进制造系统进行描述。 本文提出的先进制造系统的生物型模型包括企业基因模型、企业细胞模型、企业生物模型、企业群落模型和企业生态系统模型，从不同层次描述了各种先进制造系统的内涵、关系及发展方向。

1 引言

    在以计算机技术为代表的信息革命的猛烈冲击下，传统的制造系统正在发生深刻的变化，出现了一些新的先进制造系统模式，如计算机集成制造系统(Computer Integrated Manufacturing System，CIMS)[1]、敏捷制造(Agile Manufacturing)[2]、智能制造系统(Intelligent Manufacturing System，IMS)[3]、精益生产(Lean Production)[4]和合弄制造系统(Holonic Manufacturing System，HMS)[5]等。如何正确认识这些先进制造系统的特点、关系和发展方向，这是值得研究的问题。本文将采用多层的生物型模型对这些先进制造系统进行分析和描述。

    生物系统通过几十亿年的进化,优化了生命系统的结构和功能。可以说，现存的生物一般都是长期的生存竞争中在某些方面的优胜者，具有高度的合理性和合目的性，具体表现为生物系统结构、功能及其控制机制的多样性、复杂性、可靠性、适应性、精巧性、高效性和经济性等等，在许多方面都是现代高科技产品望尘莫及的。在生命科学的基础研究成果中选取富含对工程技术有启发作用的内容，同时将这些研究同工程技术及其它应用科学结合起来，改造现有的科学技术，建立新的科技模式，将是一件十分有意义的事情。

    事实上，人们已经分别采用了“agile(敏捷)”、“lean(瘦)”、“intelligent(智能)”、“holonic (自律协同型)”这些具有生物学意义的词汇，从不同角度描述先进制造系统模式。现在需要进一步做的是，采用生物型模型将各种先进制造系统模式统一起来，给予完整和系统的描述。

2  先进制造系统的生物型模型框架

    与生物的组织结构一样，制造系统的组织结构也具有层次性。为讨论问题方便起见，本文提出的先进制造系统的生物型模型仅包括企业基因模型、企业细胞模型、企业生物模型、企业群落模型和企业生态系统模型等五个层次的模型。其中：企业基因模型是企业遗传和突变的核心；企业细胞模型是先进制造系统的基础组织结构；企业生物模型描述了先进制造系统的总体功能和结构；企业群落模型描述了企业间的关系；企业生态系统模型则描述了企业与自然界的关系。图１为先进制造系统的生物型模型框架。这些层次间相互是密切相关的。如：企业的细胞模型为企业生物模型提供灵活、高效的基本组织结构，并为企业基因模型中高素质的人提供所需的工作环境。用上述这些模型可以清楚地描述各种先进制造系统的特点、关系及发展方向。下面对这些模型作一简要介绍。

图１  先进制造系统的生物型模型框架

3  企业基因模型

　　生物基因的作用是：①对生物的种的遗传的控制；②对生物个体成长的控制。生物基因的本质是具有生理功能的DNA片段，DNA分子是由含有A、T、C、G 四种碱基的核苷酸所组成的。

    对比生物基因，企业的基因的作用是：①科学技术、企业文化的继承；②企业发展的控制。制造系统的主体是人、设备和工装，客体(即制造对象)是产品。先进制造系统中的企业基因包括：①高素质的人；②高效、柔性的设备和工装；③产品信息基因（如图2所示）。先进制造系统优于传统制造系统的关键在于它有更适应环境的企业基因。

图2 企业基因模型示意图

    (1) 高素质的人  制造系统也可看作是活系统，制造系统的活力来自于人。高素质的人是先进制造系统的关键。这些素质包括：创新性、自律性、合作型、多面手型等。在不同的企业中，由于人的素质不同，即使是同样先进的设备，其效益可能有很大的差别。

　　CIMS的实践己证明。人作为信息技术和生产技术的组织者、决策者和控制执行者在CIMS中起着核心作用。人才的培养、各级人员素质的提高和知识的更新将决定CIMS的成败。CIMS的开发过程首先是人的活动过程，在这个过程中，人们不断要与计算机打交道，更重要的还是涉及到权利、组织结构、人员协调、心理可接受性等社会活动。忽略这些问题将导致整个开发过程的失败[1]。精益生产的核心是以“人”为中心。通过组织重组和有效的管理，调动人的积极性。精益生产企业把人力资源作为战略性的资产，愿投入大量费用对职工不断进行培训。从而使得企业取得了很大的成功[4]。在敏捷制造系统中，认为解决问题靠的是人，而不是单纯的技术。敏捷制造系统的能力将不是受限于设备，而是受限于劳动者的创造力。传统制造系统强调细化分工，强调集中控制，将人看作是机器的附属品。其结果是使制造系统缺乏灵活性。

    (2) 高效、柔性的设备和工装 为了实现高效和柔性的统一，高效、柔性的设备和工装也是先进制造系统的基因之一。这些设备和工装以机械、电子和信息的一体化为其主要特征。先进制造系统不仅对单机进行数控化、模块化的、智能化，而且对多机组成的系统进行集成化和分布化控制，取得前所未有的高效、柔性和高质量。如：CIMS中的数控机床，柔性制造系统和单元，精益生产的快换工艺装备。传统制造系统采用一些缺乏柔性的高效设备，如刚性生产线等是无法适应现代制造系统环境变化的需要的。

    (3) 产品信息基因 先进制造系统的发展对产品信息模型的要求越来越高。这些要求有：①产品信息的模块化：即产品可以容易地被分解为一些模块，分别由不同的厂家进行设计和制造，并容易地被集成。②产品信息的继承性：要求最充分地利用已经过生产实践考验过的产品信息，新产品的开发只需对其中很少一部分零部件进行重新设计和制造。而绝大部分零部件都将继承以往产品的信息。这不仅大大缩短产品生产周期。还提高了产品的一次成熟性。③产品信息的自组织性：要求产品信息模型有较大的自组织性,能够通过快速重构,得到一种全新的产品。④产品信息模型的转换性。要求产品信息模型能够容易地在产品生命周期的不同环节（从概念设计、结构设计、详细设计到工艺设计和数控编程）间进行转换。

　　生物通过基因遗传将自己的基本特征复制给下一代，同样，所有的新产品与以前的产品有一定的联系；就象不同的生物之间存在着许多相似性一样，各种产品的部件、零件及零件上的结构特征之间有很多的相似性。这些相似性对于产品信息的简化、再用和重组有重要意义。这些相似性的整理和标准化就得到了产品信息基因。产品信息基因是产品设计和制造科学和技术的继承者和传递者。先进制造系统的显著特点是充分利用和发展产品信息基因，如：敏捷制造中的柔性的、模块化的产品设计方法、智能制造系统中的全面的并行工程技术、精益生产中的产品结构简化、CIMS中的CAD/CAM一体化技术等。

3  企业细胞模型

    生物细胞是生物的基本组织。其特点有：①不强调全能，而强调专业分工，细胞间的合作增强了生命活动的能力；②细胞具有完成某一功能或任务的能力，具有一定的封闭性；③细胞与生物具有自相似性，包含有生物的遗传信息；④细胞体型的增大有一个限度，一旦超过这一上限，细胞膜的交换能力就不能满足细胞生命活动的需要；⑤主要是通过细胞分裂，而不是通过细胞长大促使生物体长大。

　　在先进制造系统中，出现了各种类似于生物细胞的组织结构，这是一些以任务为中心的不强调全能而强调专业分工的组织，具有独立完成某种工作任务的能力。如：精益生产中的产品开发项目组，把回绕某一产品的设计、工艺和工业工程人员集中在一起，简化信息传递的环节；精益生产中的具有很大的权利和责任的生产小组简化了生产管理，减少了所需人员；在CIMS中越来越多地采用基于成组技术的单元制造系统结构，以简化系统的复杂性，而柔性制造系统实际上是一种高度自动化的单元制造系统。

    细胞体表现了生命现象的基本特征。先进制造系统的以任务为中心的单元组织和项目组，由较少的、具有不同学科背景或专业技能的人组成（几人到十几个人），并包括了完成某任务所需的资源，具有较大的独立性和封闭性。这种单元或项目小组表现了制造系统活力的基本特征。与不同种类的细胞紧密联系在一起形成一个统一的生物体一样，由不同种类的单元组织可以形成一个制造复杂产品的巨型系统。由细胞组成的生物体是一种分布式组织，具有很强的容错性和鲁棒性。先进制造系统中的以任务为中心的小型化的单元组织也很容易构成分布式组织，从而使制造系统具有较好的自适应性和自组织性。图3为企业组织的一些细胞结构模型。

图3 企业细胞模型示意图

4　企业生物模型

    在大自然“优胜劣汰”的残酷的竞争中，生物具有高度适应环境、最有效地进行能量转换等特点。在激烈的国际大市场的竞争中，先进制造系统也将以高柔性和高效率的特点取得竞争的胜利。图4为大型企业的一种生物模型示意图。如同生物的多样化，企业的生物模型也是多样化的。先进制造系统在其优良的遗传基因的控制下，在其细胞组织结构的基础上将具有以下特点：

图4 大型企业的一种生物模型示意图

    (1) 高效性：①采用集成的、并行的工作流程。 先进制造系统要求产品开发人员在设计一开始就考虑产品整个生命周期中从概念形成到产品报废处理的所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户要求等，集成地、并行地设计产品及其相关的各种过程。②以任务为中心，将有较大相关性的人、物集中在一起，将相关信息进行集成，如CAD/CAM一体化等。③强调全面质量管理。 在产品的设计与制造过程中同时考虑到质量问题。

  　(2) 敏捷性  ①采用准时制造的生产方式，朝“一个流”生产的方向努力。 这不仅满足时间竞争的需要，而且有效减少了流动资金的积压。更重要的是可以及时发现生产过程中的质量问题。②采用计算集成制造技术和各种柔性制造技术。这里特别要注意的是人机的合理分工和人机的协同工作。③采用合理化技术，对产品进行标准化、模块化和系列化设计，以便快速地提供给用户具有一次成熟性的新产品。

    (3) 开放性  ①采用“整体销售”策略，从适应市场竞争需要出发，先进制造系统以用户为中心，由市场销售部门对内统一协调各部门的任务，以达到用户满意的目标。甚至于把整个公司都转化为一个市场销售组织，公司的一切制造、销售与发展计划，均以销售为出发点。②强调对用户的全方位服务、对产品的整个生命周期乃至产品的更新换代全面负责，提供满足用户不断增长的需求的增值服务。

    (4) 自相似性  自相似性包括两个方面：①企业组织结构的自相似，即以任务为中心建立组织；②目标自相似，即单元(细胞模型)的目标与企业的目标一致。组织结构的自相似强调自主，目标的自相似性强调自律。通过自律和自主的统一，提高企业的效率和柔性的统一。这里的关键是自律。

    (5) 智能性  先进制造系统将是信息驱动，将具有越来越高的智能。计算机网络技术、数据库技术、人工智能技术、先进的管理技术等是先进制造系统智能化的重要基础。先进制造系统将是人、组织、技术、经营管理的集成优化。

5 企业群落模型

    生物体与环境组成了一个生物生态系统。生命是有机体与环境进行物质、能量和信息交换的过程。生物的环境包含两个方面:①生物环境: 在同一物理环境中与其它生物之间所形成的关系网;②物理环境:与生物有关的理化因素之总和。前者用生物群落模型描述，后者用生物生态系统模型描述。

    当前通讯业和交通业的迅速发展和市场的国际化，使全球制造企业的关系发生了巨大的变化。与生物群落对比，具有一定的相似性。图5为企业群落模型的示意图。先进制造系统强调企业的专业化和小型化。一方面是大企业通过责权下放, 建立“工厂中的工厂”,提高自己的活性，如:独立制造岛、单元制造系统、项目组、多学科群体(Multi-Discipline Team)等。另一方面是大量小企业的涌现。为了进行复杂产品的开发，小企业或大企业中的“工厂中的工厂”通过分布式控制或协同控制，进行动态集成和联合。企业把那些非自己所长的业务外包给其它企业，把自己的人力和资源集中用在具有企业优势的产品和服务上，从而达到最好的效益。

图5 企业群落模型的示意图

    企业群落模型的特点有：

    (1) 企业间竞争与协同的统一　生物群落的特点是生物间为生存而相互竞争而又相互依赖，组成一个平衡的生物圈系统。每种生物都以自己的特长在生物圈中得以生存和繁衍。这种特长是在残酷的优胜劣汰的竞争中磨练出来的。企业间的竞争促使企业不断进步，不断寻求自己的生存空间；企业间的协同使各具特长的企业取长补短，共同制造出丰富多彩的产品。先进制造系统在发挥自己优势的同时，将十分注重企业间的协调。例如：智能制造系统的研究项目之一是：全球制造业集成技术。目标是达成一个能适应21世纪的产量多变和多品种的全球制造系统, 即把产品的开发和制造分散在全球范围内进行。

    (2) 企业间的兼并与分化的统一  生物群落中各生物的比例是动态的。某种生物的迅速发展会造成自己的食物匮乏，而又导致该种生物数量的急剧下降。生物的发展是朝多样化的方向发展。只有生物的多样化才能导致生物群落的自稳定性。先进制造系统的发展也是一个不断相互兼并又不断分化的过程。兼并可以取得规模效应，有利于系统的集成。分化可以促进竞争，有利于发挥各个企业的积极性，有利于市场的稳定发展。

    (3) 企业间联系的稳定性和暂时性的统一  生物群落中生物的多样性导致生物间联系方法的多样性。生物间的联系既有稳定性的特点又有暂时性的特点。有的生物喜欢群体生活，相互帮助；有的生物喜欢独自生活。先进制造系统中的企业间联系也有稳定性的特点又有暂时性的特点。如敏捷制造的模式是：回绕某一产品的开发通过工业信息高速公路，以竞争能力和信誉为依据选择合作伙伴组成动态公司，即“虚拟企业”,当这一产品的开发完成后，“虚拟企业”的使命也宣告结束。而精益生产的模式是：强调总装厂与零部件制造厂间的稳定的协作关系，以及企业与销售商间的稳定的协作关系。

6  企业生态模型

    生物生态系统的物质流的特点是它的循环性。物质流循环路径的封闭性是生态系统保持较长时期稳定的一个重要条件。自然界的生物种群在生存和发展过程中利用或参与了物质流的运动，但是一般地说不会破坏物质流的循环，也不会造成对自己及后代不利的污染。在生物生态系统中，所产生的每一种东西都为另一种生命体的新陈代谢所耗用。生物生态系统的循环物流如图6所示。

        图6  生物生态系统的循环物流        图7 企业生态模型的循环物流

　　企业废弃物的大量增加和能源的巨大消耗，已成为威胁人类生存的全球性的问题。为了人类的持续发展，在企业的产品生产过程中使用材料和资源的理想方式，即企业生态系统模型应该类似于生物生态系统模型，使从原料到部件、产品，直至最后的废物处理的整个物质循环过程最优。要求将在加工过程，特别是热加工过程中产生的废物减量化、资源化、无害化，使污染尽量消灭在生产过程之中，以达到末端的排放最小的目的。企业生态模型的循环物流如图6所示。

    先进制造系统对此给予了越来越大的重视。例如：智能制造系统的研究项目之一的“过程工业中的清洁制造技术”，其目标是开发多种技术,防止在制造过程中生成有害物质，而不是在有害物质生成后再去处理。敏捷制造强调企业必须完全服务于社会，要全面消除企业生产给社会造成的不利影响，如提倡清洁生产，消除污染等。

    人类社会发展的历史是把自然过程变为工业过程，使生态序降低；企业生态系统模型强调应使企业的生产过程适应自然过程，使之日益协调地汇入自然过程。在此基础上造成在社会和自然的统一系统中物质的新的自然流动和循环。有人预言，21世纪将是绿色产品的世纪。

7  结论

    本文提出的先进制造系统的生物型模型包括企业基因模型、企业细胞模型、企业生物模型、企业群落模型和企业生态系统模型五个层次的模型。用上述这些模型可以清楚地描述各种先进制造系统的内涵、关系及发展方向。先进制造系统的生物模型也形象地概括了各种不同的先进制造系统模式的特点。

参考文献　　

 1  祁国宁、顾新建, 《计算机集成制造系统方法论》，上海科技文献出版社，1996.3

 2  罗振壁,灵捷制造──21世纪制造企业的战略,机械工程学报,1994,30(4)

 3  陈君励，IMS--国际制造业科技竞争的制高点，机电一体化，1994,(4)

 4  [美]D.琼斯等，《改变世界的机器》，万国学术出版社，1991

 5  唐任仲，HMS—合弄制造系统，航空制造工程，1996.(1)

6         韩君己、顾新建、祁国宁. 《现代制造系统与技术》，上海科技文献出版社，1996.3

作者通讯方式：浙江大学生产工程研究所（310027）

Email：xjgu@cmee.zju.edu.cn