并行工程

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摘要 (2)
1引言 (2)
2 CE的定义及理论基础 (2)
2.1 CE的定义 (2)
2.2 CE的理论基础 (2)
3 CE的本质特点 (3)
4 CE核心技术及关键要素 (5)
4.1并行工程的核心技术 (5)
4.2并行工程的关键要素 (5)
5 CE研究热点 (6)
6 国内外应用状况 (8)
7 我国CE的一点建议 (8)
8 参考文献 (9)
并行工程
摘要并行工程自上世纪80年代产生以来，已经在制造业，服务业等众多产
业及领域产生了显著的经济效益。

本文从并行工程（CE)产生背景，定义及理论基础，CE的本质，核心技术及关键要素，CE的研究热点，国内外应用状况，及结论和给我国实行CE的建议来探讨并行工程。

关键字：并行工程（CE) 核心技术关键要素
1引言
新产品的开发长期以来一直采用“串行”方式进行：市场调研→产品计划→产品设机→修改设计→工艺准备→正式投产。

在这种开发模式中，以上诸环节需按固定顺序进行，多个环节不能同时进行。

若前期某个环节出现问题，往往会影响后期环节的开发。

这会使产品开发过程成为设计、加工、测试、修改、设计大循环。

造成产品设计工作量大，产品开发周期长，成本增加。

20 世纪80 年代中期以来，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。

竞争焦点就是满足用户的TQCS（上市时间、产品质量、产品成本和售后服务）等指标，竞争的核心问题就是时间。

为解决上述问题，提高市场竞争力，以最快的速度设计出高质量的产品，并尽快投放市场，在20世纪80年代末，制造业提出了并行工程（Concurrent Engineering, CE）的思想。

2 CE的定义及理论基础
2.1 CE的定义
l988年美国国防分析研究所(简称IDA)为了改进国防武器和军用产品的生产，缩短生产周期，降低成本，首次提出了并行工程的概念，即并行工程是对产品及其相关过程(包括制造和支持过程)进行集成并行设计的系统化工作模式，这种方法要求产品开发人员在设计一开始就考虑产品整个周期(从概念形成到报废)中的各种因素，包括质量、成本、进度及用户需求等，以便最大限度提高产品的开发效率和一次性成功率。

并行工程与传统生产方式之间的本质区别在于，并行工程把产品开发的各个活动看成是一个集成的过程，并从全局优点的角度出发，对集成过程进行管理与控制，同时对已有的产品开发过程进行不断地改进与提高，以克服传统本行产品开发过程反馈造成的长周期与高成本等缺点，增强企业产品的竞争力。

从经营方面考虑，并行工程意味着产品开发过程重组(Reengineering）以便并行地组织作业。

2.2 CE的理论基础
荣烈润在《先进制造哲理--并行工程》一文中讲到：从本质上讲CE 是一种以空间换取时间、处理系统复杂性的系统化方法。

它以信息论、控制论及系统论为理论基础，在数据共享、人-机交互等工具及集成上述工具的智能技术支持下，按多学科、多层次协同一致的组织方式工作。

与传统串行工作模式相比，它大大
地扩大了系统状态空间，大大地缩短了复杂问题交互式求解过程的迭代次数，促使最终目标一次成功，以非线性的管理机制及整体性思想，赢得集成附加的协同效益。

CE 的基础技术研究目前主要有以下几方面：
（1）面向并行工程的组织机构研究
（2）面向并行工程的管理决策支持系统
（3）面向并行工程的新设计学科
（3）面向并行工程机制的CAD/CAPP/CAM/CAEO
（4）建模与仿真技术
（5）基于计算机的知识信息、工具集成技术
3 CE的本质特点
张玉云，熊光楞，李伯虎在《并行工程方法、技术与实践》中认为CE有以下几个本质特点：
（1） CE的基础是组织模式改革一用户需求定义一环境建设一产品开发新技术应用四个要素的综舍平街
1)组织模式变革要素。

CE打破传统的、按部门划分的组织方式，由项目领导按产品开发对象、任务及目标，优化组合出跨部门的集成产品开发团队(IPT)。

IPT对他们所作出的决策负责，并时刻把顾客的需求作为首先要考虑的问题。

IPT 的数量和涉及的学科由产品复杂程度及其相应的过程决定。

2)用户需求定义要素。

用户需求是现代产品开发质量保证的最终目标，并且它是在不断变化的。

设计部门的主要任务是充分理解用户的真正需求，用于衡量产品开发过程中从概念设计、详细设计到产品评估与检验的每一项活动的进展和质量保证。

3)环境建设要素。

作为支持产品开发小组协同工作的基本条件，其基础设施包括计算机与操作系统、网络与数据库、群组协同工作软件(如E-mail、多媒体等)．它支持产品开发的各种信息类型，如数据、文本、图像、声音等，保证在正确的时刻，把正确的信息，以正确的方式，传递给正确的人。

4)产品开发过程中新技术应用要素。

CE产品开发必须采用新技术，如改进开发流程、建立覆盖产品生命周期的全局信息模型、使用集成的CAx/DFx工具、对设计过程进行综合管理等。

根据具体的产品和受到市场的影响，这些方面的具体形式和它们之间的相互关系都在不断地发生变化，但只有达到某种程度的平衡，而不是片面地强调某一方面，才能便CE发挥最大的效益。

（2）CE 最高目标是实现产品开发过程中的组织一管理一技术集成
Carter D E,Baker B S在《Concurrent engineering- the product development environment for the 1990 s》从CE 自动化的角度出发，提出了CE 将经过互操作的计算环境、互操作的工具与任务、自动化数据管理、自动化过程管理、自动决策支持等五级演进模式，如图1(a)所示．本文从组织一管理一技术集成的角度出发，认为以CIMS信息集成作为基础，实现CE须经过三个阶段，如图1(b)所示．
图1 CE产品开发过程的集成关系
1)信息集成．传统的、按专业划分的产品开发队伍通过数据库的方式实现功能部门之间的数据集成。

支撑技术包括各种计算机辅助工具和信息集成手段。

2)过程集成。

以信息集成为基础，集中了多个专业的学科组，如机械开发部、电子开发部、动力开发部等。

通过产品数据管理系统(PDM)实现全局产品数字定义和产品生命周期管理。

支撑技术包括DFA (面向装配的设计)／DFM (面向制造的设计)／DPx(面向产品生命周期中其他领域的设计)、加工过程仿真、数字化预装配等。

这些工具能使上游的设计过程及时考虑下游的需求，减少设计返工。

3)自动决策支持。

以信息集成和过程集成为基础，组织以产品开发为主线的IPT，通过PDM或更广泛的企业框架实现IPT的协同工作。

支撑技术包括产品开发过程重构、产品开发过程中的质量管理、产品开发过程综合决策系统、广域网与多媒体群组协同工作环境。

其最终目标是利用先进的计算机和网络技术，在一个综合决策系统环境中做到产品开发的一次成功。

荣烈润在《先进制造哲理--并行工程》中认为CE有如下特点：
①强调团队工作（Team work）
为了实现CE系统,首先要实现设计人员的集成,”团队工作”是CE系统正常运转的首要条件。

需要组织一个并行设计组织,该设计组织是一个包括设计、制造、装配、市场销售、安装及维修等各方面专业人员在内的多功能设计组。

其设计手段是一套具有CAD、CAM、仿真、测试功能的计算机系统。

它既能实现信息集成，又能实现功能集成，可在计算机系统内建立一个统一的模型来实现以上功能。

为了保证小组成员之间良好的信息通信和工作环境，集成的CE环境是必不可少的，它是实现CE系统的关键。

CE环境是指集设计、分析、仿真等工具于一体的计算机集成平台Framwork，它以分布式结构通过网络建立联系。

②强调设计过程的并行性
并行设计是并行工程的主要组成部分，是对产品设计及相关过程进行并行处理，也是设计相关过程并行化、一体化、系统化的工作模式。

并行性有两方面的含义：一是力图使开发者从一开始就考虑产品的生命周期，二是在产品设计的同时考虑其相关过程包括加工工艺、装配、检测、质量保证、销售、维护等。

以便达到缩短产品开发周期、提高质量、降低成本的目的。

并行设计将产品开发周期分解成多个阶段，每个阶段都有自己的时间段，各时间段之间有一部分相互重叠，如图2所示。

重叠部分代表过程的同时进行。

这种方式与如图3所示传统的串行设计方法大不相同。

从图2图3中可以看出两者的
显著差别。

图2并行工程设计过程图3 传统的串行设计过程 强调设计过程的系统性
在CE中，设计、制造、管理等过程不再是一个个独立的单元，而是一个统一的系统。

在设计过程中，不仅出图及其他设计资料，还要进行质量控制、成本核算、产生进度计划等。

④并行设计能与用户保持密切对话，可以充分满足用户要求。

⑤强调设计过程的快速“短”反馈
CE强调对设计结果及时进行审查，并及时反馈给设计人员。

这样可以大大缩短设计时间，还可以及时将错误消灭在“萌芽”状态。

4 CE核心技术及关键要素
4.1并行工程的核心技术
并行工程是一种系统化、集成化的产品开发模式，其核心就是组建集成产品开发团队(简称IPT)和产品开发过程重构。

1)集成化开发团队(IPT)。

集成产品开发团队是并行工程唯一的组织模式。

这种模式和串行工程的组织模式相比较有着显著地不同：首先，在组建集成产品开发团队时，针对产品开发过程中的不同阶段选择有着相对应专业背景的技术人员；其次，所有的产品开发技术人员是在统一的规划和组织下，共同完成产品及相关过程的设计；第三，集成产品开发团队，负责整个产品过程的开发和设计；第四，在开发过程中，不同专业的技术人员一方面负责自己相对应专业的产品过程的开发和设计，同时虚心接受其他人员对自己的成果提出的审查意见，一方面有依靠自身知识水平对其他开发人员的成果进行技术审查。

这种组织模式能够最大限度的实现产品开发过程的整体优化。

2)产品开发过程重构。

并行工程和串行工程开发方式的本质区别就是并行工程把产品开发过程中的各个子过程看成了一个集成的过程，是从全局优化的角度对这个集成过程进行管理和控制，并且对已发生的过程进行不断的改进。

由于IPT打破了传统的功能部门的界限，所以产品开发过程之间也就没有严格的界限，这使得产品开发过程中的活动具有了高度的随机性。

4.2并行工程的关键要素
通过上文对并行T程和串行工程的对比分析，我们了解到如果想要成功的
实施并行工程，就需要对下面几个方面进行改进：首先，要整合产品开发团队，形成以产品为主线的集成产品开发团队，并负责整个产品过程的设计和开发；其次，对传统的串行产品开发过程进行重构，形成集成化的并行产品开发过程；第三，实施综合优化设计；第四，建立支持IPT及协同设计的工作环境，包括硬件环境、软件环境和文化环境等。

这四个方面就是并行工程的四大关键要素。

5 CE研究热点
通过查阅国内外文献，了解到目前并行工程的研究热点主要包括：
①并行工程基础理论的研究：主要包括概念设计模型、并行设计理论、鲁棒设计及支持产品开发全过程的模型研究。

尤其是并行设计的建模技术，所谓建模就是指建立产品模型，而产品模型包括产品生命周期各阶段的信息及访问、操作这些信息的算法。

在计算机环境下，进行并行设计要求信息模型能够获取和表达产品信息、制造信息和资源信息；能够方便地获得有关产品可制造性、可装配性、可维护性、安全性等方面的信息；能够使小组成员共享信息。

要满足这些要求，必须建立一个能够表达和处理有关产品生命周期各阶段所有信息的统一产品模型。

统一模型的建立可以在特征建模基础上进行，但是特征建模只是强调设计和制造信息的集成，在多学科人员协同工作环境下，当产品开发某环节数据被改动后，它不具备自动更新相关数据的能力，即不支持所谓全相关性。

国际标准化组织(ISO)提出的产品数据模型STEP标准是建立模型的工具，但由于产品数据复杂、多变此标准仍在试用阶段。

从支持并行设计建模技术研究现状来看，目前的模型对详细设计阶段以及下游诸环节支持得较为充分，但在产品概念设计阶段其信息描述能力较弱，这是需要深入研究的课题。

②制造环境建模：在并行工程中产品的设计阶段就考虑制造因素，使得产品设计和工艺设计同时进行，因此，无论在产品的初期方案设计或详细设计阶段都要及时地进行产品可加工性及可装配性的评价并生成合适的工艺，这就必然涉及到从现实制造资源角度评价所涉及产品的制造工艺性能，同时还要工厂、车间、工段的生产能力、设备布局及负荷情况等，这样制造环境的数据和知识模型就是达到并行必不可少的部分。

③面向并行工程的CAPP：传统的CAPP不具备与产品设计并行交互的能力，不能对产品或零件进行可制造性评价并反馈结果，为实现计算机辅助并行工程，面向并行工程的CAPP是关键。

为了达到这一目的，零件信息模型应是一个动态的数据结构，设计者可以在设计中的任何阶段将设计结果移交工艺评价模块，并根据评价结果修改模型或继续设计；该模型应将零件功能与零件特征间建立一种映射关系；此模型还应便于多知识源的协同处理，一般可采用“黑板结构”，即一组负责相应功能的知识源系统在“管理者”的协调控制下，对领域黑板上的当前零件信息模型进行操作。

文献【11】给出了面向并行工程的CAPP体系结构及零件建模、环境建模等模块的结构。

文献【13】以轴类零件为例，采用了链表作为数据结构表示零件的形状特征等，但距离实用还有一定的差距。

④DFX：在这一领域中，主要集中于DFM和DFA这两个方向上。

面向制造的设计(DFM)是并行工程中最重要的研究内容之一，它是指在产品设计阶段尽早地考虑与制造有关的约束（如可制造性），全面评价产品设计和工艺设计，并提出改进的反馈信息，及时改进设计。

在DFM中包含着设计与制造两个方面，传统上制造都是考虑设计要求的，但是设计考虑制造上的要求不够充分，在DFM中必须充分考虑制
造要求，一般通过可制造性评价来实现【14】【15】。

面向装配的设计（DFA）与DFM类似，它是将可装配性在设计时加以考虑,设计与装配在计算机的支持下统一于一个通用的产品模型，来达到易于装配，节省装配时间、降低装配成本的目的【15】。

⑤并行工程集成框架：所谓集成框架就是使企业内的各类应用实现信息集成、功能集成和过程集成的软件系统。

主要包括基于思想模型的辅助决策系统、支持多功能小组的多媒体会议系统、计算机辅助冲突解决的协调系统等。

一般可以采用多媒体技术、客户服务器模型进行开发，但在知识共享、多领域数据信息转换、设计意图表达等方面还没有找到切实可行的办法，建立一个包括信息集成、工具集成和人员集成的理想网络环境仍是一个长期的努力过程。

⑥冲突消解及知识处理、协同：在并行工程中产品的早期涉及阶段能够得到的信息大多是模糊和不确定的，仅仅运用经典数学的精确方法来处理往往不能真实地反映客观世界的现实，具有很大的局限性，由美国自动控制专家L.A.Zadeh创立的模糊集理论在处理定性和模糊的知识方面显示了强大的生命力，因此将模糊集理论应用于并行工程中的知识协同处理取得了良好的效果【10】。

文献【13】提出的一种新的设计知识的表示方法棗资源模型，对资源和资源间的运算关系进行了定义，对多功能小组、任务并行执行、质量管理、知识重用等进行了描述。

⑦面向并行工程企业的体系结构和组织机制：主要包括人的集成（客户、设计者、制造者和管理者）、企业各部门功能集成、信息集成及设计、制造工具集成的组织机制。

⑧并行工程中产品开发过程的管理。

⑨仿真技术在企业各部门及产品开发过程中的应用。

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

我国的研究工作主要集中在高校中，据不完全统计如下表1所示：
表1 高校CE主要研究方向
6 国内外应用状况
并行工程在美国、德国、日本等一些国家中已得到广泛应用，其领域包括汽车、飞机、计算机、机械、电子等行业。

例如：美国佛杰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 Intel 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HP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；美国的爱国者防空导弹系统也是80年代后期运用并行工程方法迅速研制成功的【6】。

美国波音公司在1994年向全世界宣布，波音777飞机采用并行工程的方法，大量使用CAD/CAM技术，实现了无纸化生产，试飞一次成功，并且比按传统方法生产节约时间近50％。

德国西门子公司下属的公共通讯网络集团（Simens 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【15】。

如表2所示，其他一些公司应用并行工程后也产生了巨大的经济效益。

在国内，并行工程作为CIMS发展的一个新阶段，得到了一些企业的广为关注，其研究已于1992年底被列为国家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5个单位人员组成了“863/CIMS关键技术攻关棗并行工程”的技术攻关队伍，以航天总公司二院的复杂结构件为应用背景，开展并行工程关键技术的研究与应用。

经过近两年的攻关，终于取得了重大进展。

该项目在应用上有特色，在某些关键技术上已经达到国际先进水平，目前，该项目已经通过鉴定。

表2 其他公司运用CE的经济效益
7 我国CE的一点建议
汽车、电子、航空、机床和造船等制造业是国民经济发展的源动力。

CE作为CIMS的进一步发展方向，将为制造业增强竞争能力提供有效的途径。

国外一些著名企业成功的实践已证明了这一点。

我国一些具有ClMS基础的企业也对CE提出了明确的需求。

在863／CIMS关键技术攻关项目“并行工程”的实施过程中，作者
提出实施CE的四个阶段：
1)以正确的方法为指导，充分相信CE 对增强企业产品开发能力的作用。

企业领导必须始终不懈地给予坚定的支持。

全企业从思想方法上必须对CE有正确的认识。

2)产品开发过程分析，建立IPT 和必要的支持平台，包括分析现有产品开发流程的缺陷，提出改进的模式；组成对所开发产品负全责的IPT，并建立IPT 的工作和管理模式；建立必要的计算机、网络和群组协同工作环境．在真正实现自动化CE之前，通过IPT的协同工作产生效益。

3)产品生命周期数字定义，具体内容包括从信息集成出发，定义全局产品信息模型；开发面向CE 的DFx／CAx工具，增强产品开发手段；基于STEP 实现产品生命周期信息集成；建立产品数据库、资源库和信息库。

4)基于产品数据管理系统实现优化的过程集成，包括建立产品数据管理环境，如结构配置定义、版本管理、审批和更改定义等；根据优化的产品开发流程。

对产品开发活动进行管理和控制；在决策支持系统的控制下，进行并行设计。

企业在实施过程应该抓住CE 的本质特点，做好信息集成的基础工作，把管理和技术放在同等重要的地位。

并且要下决心改进企业的组织模式．CE终将在我国航空航天、汽车、电子等领域的产品开发过程中发挥越来越重要的作用。

8 参考文献
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