并行工程的提出与发展(潘星宇)

二、并行工程的提出与发展
涉及内容：（1）. 制造业发展的必然结果；
（2）. 市场竞争的影响；
（3）. 并行工程的目标、概念及特征等；
（4）. 未来10~20年，产品开发模式的发展趋势，提出你的建议。

随着科学技术的发展，先进制造技术越来越受到广泛的关注，而并行工程作为其中较为成熟的技术，已逐渐被人们认同。

本文通过理论解释和实际案例简单介绍并行工程的产生背景、技术特征、本质特点、实际应用、发展趋势等信息。

并行工程(Concurrent Engineering)是对于产品和其有关的过程(包括制造和保障过程)进行并行设计的一种系统的综合方法，它要求研制者从一开始就考虑整个产品寿命周期(从概念形成到产品报废处置)中的全部要素，包括质量、成本、进度及顾客需求。

并行工程要求特别重视源头设计，在设计的开始阶段，就设法把产品开发所需的所有信息进行综合考虑，把许多学科专家的经验和智慧汇集在一起，融为一体。

并行工程制造业从发展历程上，人类的制造活动可以追溯到远古时期。

200万年前，人类就会制造和使用工具！古石器时代(100万年~50万年前)，人类会用卵石、兽骨、牛角、象牙等制造的生产和生活用具。

中石器时代(5万年前)，人类可批量生产比较精致的木、角、骨制工具、刀、矛、锥等，并开始批量生产陶器。

新石器时代后，能够批量制造复合工具如带柄的镰刀、刀和斧子等，并大批量生产陶器。

青铜器和铁器时代，出现了手工作坊式的大规模铜器和铁器制造场，冶炼并铸造各种农耕器具等。

第一次产业革命前，矿采冶金和制造技术在欧亚各国已变得相当发达。

早在1500年，意大利的达•芬奇（1452-1519 ）就已经发明出车床工具。

瓦特（1765年）发明蒸汽机，标志第一次产业革命产生，揭开近代工业化大生产的序幕，开创了以机器占主导地位的制造业新纪元，生产从此摆脱手工工具而转向机械化大生产的方式，引发社会的广泛进步和相关科学技术迅速发展，机械技术与蒸汽动力相结合,出现火车、轮船、蒸汽风轮、蒸汽锅炉、蒸汽水轮抽水机以及各种以蒸汽为动力的农业机械。

第二次产业革命，发电机和电动机的发明，标志着电气化时代的到来。

19世纪后半叶至20世纪初，第二次产业革命以电气化运动为标志逐步兴起，1829年美国Joseph Henry设计和制造出世界上最早的电动机，1832年美国Joseph Saxton制成发电机。

1853年英国T. Davenport制成实用电动机，用于驱动印刷机，1855年德国西门子公司开始生产交流电机。

制造业电气化时代，电气驱动的制造装备如属切削机床逐步进入并主导制造行业，制造业电气化的时代由此揭开序幕。

电力技术的广泛应用，极大地推动化工、钢铁、内燃机等相关领域科学技术的迅速发展，使汽车、船舶、机车、石油等一系列新型制造行业迅速兴起。

制造业进入以汽车制造为代表的大批量生产时代，流水生产线开始在工厂出现，劳动分工日趋明确，工厂管理从以经验为主转向泰勒“科学管理”理论。

现代制造业时代，第一阶段是制造设备数控化，第二阶段是柔性制造车间，第三阶段是计算机集成制造系统，第四阶段是先进制造模式和思想，第五阶段是全球化制造。

并行工程制造业的发展规律。

制造业的发展遵循着一定的规律。

发展制造业，必须尊重和遵守制造业特有的发展规律。

首先，制造业的发展离不开科技进步的支持，制造业发展之后，又反过来进一步推动和促进科学技术的进步；相应地，科学技术的进步同样也离不开制造业的支撑，科学技术获得进步之后，也会进一步推动和促进制造业的发展。

制造业与人类科学技术相伴成长。

其次，制造业的发展，必须紧紧围绕人类文明发展的步伐，适应人类社会整体发展的需求，为国民经济建设服务，为提高人民的生活水平服务，为国家的安全保障
服务。

制造业的发展，离不开制造企业自身的创新与发展。

面对激烈的市场竞争，制造企业为了生存和发展，必须不断实施创新与发展的战略。

制造企业的创新与发展必将带动制造业的发展。

首先，制造业的发展离不开科技进步的支持，制造业发展之后，又反过来进一步推动和促进科学技术的进步；相应地，科学技术的进步同样也离不开制造业的支撑，科学技术获得进步之后，也会进一步推动和促进制造业的发展。

制造业与人类科学技术相伴成长。

其次，制造业的发展，必须紧紧围绕人类文明发展的步伐，适应人类社会整体发展的需求，为国民经济建设服务，为提高人民的生活水平服务，为国家的安全保障服务。

第三，制造业的发展，离不开制造企业自身的创新与发展。

面对激烈的市场竞争，制造企业为了生存和发展，必须不断实施创新与发展的战略。

制造企业的创新与发展必将带动制造业的发展。

并行工程制造业的重要地位。

据研究报道，工业化国家70%~80%的物质财富都来自于制造业。

制造业是一个国家经济的原动力和经济发展的支柱，左右着一个国家经济发展的命脉和人民的生活水平。

回溯人类社会及制造业的发展历史不难发现，制造业不仅创造了人类，而且造就并推动了人类文明的蓬勃发展。

可以说没有制造业的发展，就没有今天人类的现代物质文明。

国际间竞争日趋激烈，没有强大的制造业就不可能实现生产力的跨越发展，国家富强和经济繁荣就无从谈起，一个国家也将无法实现经济快速、健康、稳定的发展，人民生活水平难以普遍提高，国家的稳定和安全将受到威胁。

并行工程产品开发人员从一开始就考虑到产品全生命周期（从概念形成到产品报废）内各阶段的因素（如功能、制造、装配、作业调度、质量、成本、维护与用户需求等等），并强调各部门的协同工作，通过建立各决策者之间的有效的信息交流与通讯机制，综合考虑各相关因素的影响，使后续环节中可能出现的问题在设计的早期阶段就被发现，并得到解决，从而使产品在设计阶段便具有良好的可制造性、可装配性、可维护性及回收再生等方面的特性，最大限度地减少设计反复，缩短设计、生产准备和制造时间。

并行工程的开发环境是统一的产品模型，保证产品信息的唯一性，并必须有统一的企业知识库，使小组人员能以同一种“语言”进行协同工作；一套高性能的计算机网络，小组人员能在各自的工作站或微机上进行仿真，或利用各自的系统；一个交互式、良好用户界面的系统集成，有统一的数据库和知识库，使小组人员能同时以不同的角度参与或解决各自设计问题。

并行工程的开发组织机构，开发组织有三个层次构成，最高层有各功能部门负责人和项目经理组成，管理开发经费、进程和计划；第二层是由主要功能部门经理、功能小组代表构成，定期举行例会；第三层是作业层，由各功能小组构成。

选择开发工具及信息交流方法，选择一套合适的产品数据管理(PDM)系统，PDM是集数据管理能力、网络的通信能力与过程控制能力于一体的过程数据管理技术的集成，能够跟踪保存和管理产品设计过程。

确立并行工程的开发实施方案，首先把产品设计工作过程细分为不同的阶段；其次当出现多个阶段的工作所需要的资源不可共享时，可以采用并行工程方法；最后，后续阶段的工作必须依赖于前阶段的工作结果作为输入条件时，可以先对前阶段工作做出假设，二者才可并行。

其间必须插入中间协调，并用中间的结果作验证，其验证的结果与假定的背离是后续阶段工作调整的依据。

并行工程在产品设计阶段就已考虑到产品的有关制造问题，故而产品质量较好；在制造、装配、作业调度、质量、维护等各阶段出现的问题少，产品浪费少，故而生产成本较低；缩短产品的投放市场的时间；并行工程可适用于小批量、多品种的生产，更适用于新产品的开放、生产的柔性化。

80年代中期以来，制造业商品市场发生了根本性的变化。

同类商品日益增多，企业之间的竞争愈来愈激烈，而且越来越具有全球性，长期的卖方市场变成了买方市场。

顾客对产品质量、成本和种类要求越来越高，产品的生命周期越来越短。

因此，企业为了赢得市场竞争的胜利，就不得不解决加速新产品开发、提高产品质量、降低成本和提供优质服务等一连
串的问题。

然而在这些问题中，迅速开发出新产品，使其尽早进入市场成为赢得竞争胜利的关键。

因此在这里, 最核心的是时间。

为了改变传统的产品开发模式，赢得市场和竞争，在80年代初，人们不得不开始寻求更为有效的新产品开发方法。

在这其中，最重要的一件事就是在1982年，美国国防高级研究项目局(Defense Advanced Research Projects Agency: DARPA)开始研究如何在产品设计过程中提高各活动之间“并行度”（concurrency）的方法。

5年以后，DARPA发表了其研究结果。

后来的事实证明，该研究结果成为其后所有这方面研究的重要基础。

在1986年夏天，美国国防部防御分析研究所（The Institute for Defense Analyses :IDA）发表了非常著名的R-338报告，提出了“并行工程”（Concurrent Engineering: CE）的概念，并将其解释为对产品及其下游的生产和支持过程进行并行一体化设计的系统方法，并第一次提出了并行工程如下的定义：“并行工程是集成地、并行地设计产品及其相关的各种过程（包括制造过程和支持过程）的系统方法。

这种方法要求产品开发人员从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、进度计划和用户的要求。

”
并行工程的技术特征。

1.并行交叉。

并行工程强调产品设计与工艺过程设计、生产技术准备、采购、生产等种种活动并行交叉进行。

并行交叉有两种形式：一是按部件并行交叉，即将一个产品分成若干个部件，使各部件能并行交叉进行设计开发；二是对每单个部件，可以使其设计、工艺过程设计、生产技术准备、采购、生产等各种活动尽最大可能并行交叉进行。

需要注意的是，并行工程强调各种活动并行交叉，并不是也不可能违反产品开发过程必要的逻辑顺序和规律，不能取消或越过任何一个必经的阶段，而是在充分细分各种活动的基础上，找出各子活动之间的逻辑关系，将可以并行交叉的尽量并行交叉进行。

2.尽早开始工作。

正因为强调各活动之间的并行交叉，以及并行工程为了争取时间，所以它强调人们要学会在信息不完备情况下就开始工作。

因为根据传统观点，人们认为只有等到所有产品设计图纸全部完成以后才能进行工艺设计工作，所有工艺设计图完成后才能进行生产技术准备和采购，生产技术准备和采购完成后才能进行生产。

正因为并行工程强调将各有关活动细化后进行并行交叉，因此很多工作要在我们传统上认为信息不完备的情况下进行。

并行工程的本质特点。

1.并行工程强调面向过程（process-oriented）和面向对象（object-oriented）。

一个新产品从概念构思到生产出来是一个完整的过程（process）。

传统的串行工程方法是基于二百多年前英国政治经济学家亚当·斯密的劳动分工理论。

该理论认为分工越细，工作效率越高。

因此串行方法是把整个产品开发全过程细分为很多步骤，每个部门和个人都只做其中的一部分工作，而且是相对独立进行的，工作做完以后把结果交给下一部门。

西方把这种方式称为“抛过墙法”（throw over the wall），他们的工作是以职能和分工任务为中心的，不一定存在完整的、统一的产品概念。

而并行工程则强调人要面向整个过程或产品对象，因此它特别强调设计人员在设计时不仅要考虑设计，还要考虑这种设计的工艺性、可制造性、可生产性、可维修性等等，工艺部门的人也要同样考虑其他过程，设计某个部件时要考虑与其他部件之间的配合。

所以整个开发工作都是要着眼于整个过程（process）和产品目标（product object）。

从串行到并行，是观念上的很大转变。

2.并行工程强调系统集成与整体优化。

在传统串行工程中，对各部门工作的评价往往是看交给它的那一份工作任务完成是否出色。

就设计而言，主要是看设计工作是否新颖，是否有创造性，产品是否有优良的性能。

对其他部门也是看他的那一份工作是否完成出色。

而并行工程则强调系统集成与整体优化，它并不完全追求单个部门、局部过程和单个部件的最优，而是追求全局优化，追求产品整体的竞争能力。

对产品而言，这种竞争能力就是由产品的TQCS综合指标--交货期（time）、质量（quality）、价格（cost）和服务（service）。

在不同情况下，侧重点不同。

在现阶段，并货期可能是关键因素，有时是质量，有时是价格，有时是它们中的几个综合指标。

对每一个产品
而言，企业都对它有一个竞争目标的合理定位，因此并行工程应酬围绕这个目标来进行整个产品开发活动。

只要达到整体优化和全局目标，并不追求每个部门的工作最优。

因此对整个工作的评价是根据整体优化结果来评价的。

并行工程的实际应用。

并行工程已从理论向实用化方向发展，越来越多的涉及航空、航天、汽车、电子、机械等领域的国际知名企业，通过实施并行工程取得了显著效益。

如美国洛克希德(Lockheed) 导弹与空间公司(LMSC) 于1992 年10 月接受了美国国防部(DOD) 用于“战区高空领域防御”的新型号导弹开发，该公司的导弹开发一般需要5 年时间，而采用并行工程的方法，最终将产品开发周期缩短60% ，另外，我国齐齐哈尔铁路车辆并行工程中改进后的棚车开发流程。

其改进的措施包括：在产品开发的早期阶段，就能够充分考虑冲压件、铸钢件等零件的可制造性问题和铁路货车的结构强度、刚度及动力学品质等产品性能问题，从而能够尽量减少设计错误，提高设计质量; 同时增加DFX ，使得在产品设计阶段即可考虑产品加工、装配和工艺等问题，提高一次设计成功的可能性。

实现工艺和工装的并行开发，精简设计过程; 制造系统与产品开发过程不构成大循环，从而缩短产品开发周期，提高产品质量与水平。

并行工程的发展趋势。

经过近几年的发展，并行工程技术已经取得了长足的进展，正逐渐成为支持现代企业适应市场发展的重要方法。

在国外一些著名企业成功实施并取得了很好的效益，在我国技术攻关的初步应用也充分证明了这一点。

并行工程的实施将从根本上改变现行的制造模式，对此我们必须引起高度重视，跟踪世界先进水平开展适合我国国情的研究工作，为并行工程在我国的广泛应用打下坚实的基础。

并行工程在产品开发中的应用能够提高产品质量, 降低产品成本和缩短开发周期, 列举了国内外运用并行工程后取得的成果, 从而更加明确了并行工程的现实意义, 强调了并行工程运用产品开发中可以加强企业产品开发的能力, 建立更强的竞争优势。

目前, 并行工程在国外一些先进工业国家中已得到广泛应用, 并取得了显著的效益, 其领域包括汽车、飞机、计算机、机械及电子等行业。

美国弗吉尼亚大学并行工程研究中心应用并行工程开发新型飞机, 使机翼的开发周期缩短了60% ( 由以往的18 个月减至7 个月) 。

美国Mercury 计算机联合开发公司在开发40) MHz Int el i860 微处理芯片时, 运用并行工程方法, 使产品从开始设计到被消费者检验合格由原来125 天减少到90 天。

美国惠普公司采用并行工程方法设计制造的54600 型100) MHz 波段示波器, 在性能及价格上都优于亚洲最好的产品, 研制周期却缩短了1/ 3。

美国波音公司在777 大型民用客机的研制中, 运用CIMS 和CE 技术, 在企业南北地理分布82107km 的区域内, 由200 个研制小组形成了群组协同工作, 产品全部进行数字定义, 采用电子预装配检查飞机零件干涉有2500 多处, 减小了工程更改50%以上, 建立了电子样机, 除起落架舱外, 成为世界上第一架无原型样机而一次成功飞上蓝天的喷气式客机, 也是航空发展史上最高水平的/ 无图样0研制的飞机。

它与波音767 飞机的研制周期相比, 缩短了13 个月, 实现了5 年内从设计到试飞的一次成功。

美国洛克希德公司1992 年在新型一号导弹的研制中, 采用了并行工程方法, 将开发周期从 5 年缩短到2 年。

美国的爱国者防空导弹系统也是20 世纪80 年代后期运用并行工程方法迅速研制成功的。

法国的航空发动机公司SNECMA 从1 年以来, 把并行工程作为产品开发的基本方法, 将航空发动机的开发时间从原来的54 个月, 缩短到1992 年的42 个月和1 年的36 个月, 到2000 年时, 已缩短为24 个月。

瑞士ABB 公司, 开发火车运输系统从1992 年实施并行工程后, 交货期由3~ 4 年减少为3~ 18 个月。

日本的丰田轿车应用并行工程后, 换型速度仅为半年, 又如, 电子、家电行业急需的复杂精密注塑模具,在应用并行工程后, 能做到l 个月甚至更短。

通用斥资41 63 亿美元建成的全球动力系统新研发中心2008 年7 月25 日, 在密歇根庞菷亚克正式开业, 通用总裁瓦格纳表示: 新中心采用先进的数字模拟器将大幅缩短汽车动力系统开发周期) 由原来的26周缩减至16 周, 开发速度提高了40% !从20
世纪80 年代起, 各大汽车公司已在产品开发的各环节中广泛采用同步工程。

一个全新轿车的开发周期已从当时的36~ 48 个月缩短至现在的18~ 24月左右。

同时, 产品开发质量得到了进一步提高。

如今, 各大公司仍在不断改进开发方法, 力求进一步缩短开发周期。

德国西门子公司下属的公共通信网络集团( Si-mens AG, Public Communication Network Group) 在开发复杂电子系统的核心子系统过程中, 采用了并行工程的方法, 取得了显著的效果, 在仿真阶段共提出320 份报告, 发现并纠正了许多错误。

并行工程在国外一些企业开发中发挥着重要的作用。

1988年美国国家防御分析研究所（IDA—Institute of Defense Analyze）完整地提出了并行工程（CE—Concurrent Engineering）的概念，即“并行工程是集成地、并行地设计产品及其相关过程（包括制造过程和支持过程）的系统方法。

这种方法要求产品开发人员在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的所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户要求。

并行工程的目标为提高质量、降低成本、缩短产品开发周期和产品上市时间。

并行工程的具体做法是：在产品开发初期，组织多种职能协同工作的项目组，使有关人员从一开始就获得对新产品需求的要求和信息，积极研究涉及本部门的工作业务，并将所需要求提供给设计人员，使许多问题在开发早期就得到解决，从而保证了设计的质量，避免了大量的返工浪费。

在产品的设计开发期间，将概念设计、结构设计、工艺设计、最终需求等结合起来，保证以最快的速度按要求的质量完成。

各项工作由与此相关的项目小组完成。

进程中小组成员各自安排自身的工作，但可以定期或随时反馈信息并对出现的问题协调解决。

依据适当的信息系统工具，反馈与协调整个项目的进行。

利用现代CIM技术，在产品的研制与开发期间，辅助项目进程的并行化。

并行工程在我国的研究与应用分为以下几个阶段。

1992 年前并行工程处于预研阶段。

863/ CIMS主题和国家自然科学基金资助了一些与并行工程相关技术的研究课题, 如并行设计方法、产品开发过程建模与仿真技术、面向产品设计的智能DFM 等。

1993 年863/ CIMS 主题组织了由国内一些高校和研究机构组成的并行工程可行性论证小组, 提出在CIMS 实验工程的基础上开展并行工程的攻关研究。

1995 年5 月863/ CIMS 主题重大关键技术攻关项目) 并行工程正式立项, 由清华大学牵头, 上海交大、华工、北航和航天二院组成了联合课题组, 开展并行工程方法、关键技术和应用实施的研究工作。

1995 年 5 月~ 1997 年12 月并行工程项目处于攻关研究阶段。

其主要内容有: 并行工程总体技术、并行工程环境建设; º并行工程的过程建模与管理技术; CAX/ DFX使能技术, 如DFM、DFA、面向并行工程的以即、面向并行工程的计算机辅助工装系统设计( CAFD) 等; ¼支持并行工程的协同工作环境和产品数据管理技术。

1998 年至今航天并行工程攻关与应用, 是对并行工程已有攻关成果的进一步研究, 研究与应用对象扩展至由产品总成、机械部分和电子部分组成的复杂系统, 动力学及复杂控制系统等新技术的应用, 为今后虚拟产品( V P) 技术研究奠定了基础。

世纪90 年代, 并行工程引起了我国政府和学术界的高度重视, 成为我国制造业和自动化领域的研究热点, 一些单位相继开始进行一些有针对性的研究工作( 表2) 。

1994 年12 月, 我国组织并行工程考察团，考察了美国进行并行工程研究开发的许多大学、研究所和公司, 发表了访美报告, 从此并行工程成为我国研究界、工业界方兴未艾的研究课题, 相继攻克一批达到或接近世界先进水平并对经济和社会发展有重要影响的关键技术(如信息集成、过程集成技术) , 企业间集成技术也取得突破性重要进展。

并行工程是行之有效的系统工程方法之一, 我国在实施新一代CIMS 工程时, 863 主题专家组积极组织有关专家进行研究和技术开发应用, 使我国在并行工程的理论研究、技术开发、方法应用等方面赶上世界先进水平。

1992 年底, 并行工程作为关键技术列入863/CIMS 研究计划, 被列为国家863 计划自动化领域的重点研究内容。

在国家科技部和863/ CIMS 主题专家组的领导下, 1995 年7 月由清华大学、华中理工大学、北京航空航天大学、上海交通大学和航天工业总公司二院单位人员组成了/ 863/ CIMS 关键技术攻关项目) 并行工程0。