以计算机和Internet 网为代表的信息处理与传播技术对制造业的发展作用越来越大,产品已由“大量生产”过渡到“中小批量生产”,现在又过渡到满足用户需求且性能价格优良的单件小批生产,最终在形成全球化市场需求群的情况下发展为适应大规模定制模式的面向知识和信息网络的敏捷制造。20世纪80 年代后期以来,美、日及西欧各国都先后提出制造战略新模式。1988 年,美国GM 公司和里海大学共同提出敏捷制造战略,于1990 年向社会公开;1990 年,美、日及西欧各国联合进行10 年期的智能制造系统( IMS) 研究与开发; 1994 年,德国人提出改变工业组织结构的分形公司( Fractal Company) 。所有这些模式中最有代表性、社会反响最大的是“敏捷制造”。

    1 制造技术的发展——敏捷制造

    敏捷制造是指制造企业采用现代通信手段,通过快速配置各种资源(包括技术、管理和人) ,以有效和协调的方式响应用户需求,实现制造的敏捷性。敏捷性是核心,它是企业在不断变化、不可预测的经营环境中善于应变的能力,是企业在市场中生存和领先能力的综合表现,具体表现在产品的需求、设计和制造上具有敏捷性。

    1.1 产品的敏捷需求

    制造业电子商务化的发展推动了用户需求的个性化,它要求制造系统能敏捷地适应这种变化,具体表现在企业实施敏捷制造需要具备BtoB (Business to Business) 形式的网络信息结构。针对这一目标,Fellner KJ , Turowski K提出一种构件框架方法,通过使用扩展标识语言XML ( Extensible Markup Language) 作为交互平台,结合商务通讯标准,对不同种类的分布式应用系统加以拓宽并应用。Tomita N 等提出一种面向信息流的制造系统设计方法,从个性化领域来实施制造系统的自适应过程,并开发了一种个性化信息选择工具,以对各种数据进行处理和选择。

    1.2 产品的敏捷设计

    产品的个性化需求促使敏捷制造的进一步发展。适应这一需求,Roy U 等开发了一种面向敏捷制造企业的开放式协同设计环境,提出产品开发的一种框架模型。该模型把产品及其特征信息置于数据库内并允许通过浏览器来访问这些信息,以满足用户在远程异地下对产品的了解需求。Candadai A 等提出敏捷制造环境下快速设计评估的一种变量方法,它基于STEP 模型产生产品设计方案的GT(Group Technology) 编码和产品制造信息,包括制造过程、生产时间、成本和质量等,并以此为反馈信息在产品设计初期对设计结果进行评估和改善。

    1.3 产品的敏捷制造

    敏捷制造的实施在很大程度上取决于企业联盟所获得信息的可靠性、企业联盟本身及再利用这些信息的能力。因此,敏捷制造企业的运作过程需要具有众多信息集成技术的支撑。Reich Y, Konda S提出一种n-dim 方法,通过对需求信息的迅速反应来改善制造系统的敏捷性。

    为动态响应市场并满足用户需求,缩短产品上市时间,Dolinska M开发了一种集成化的信息系统IIS( Integrated Information Systems) ,基于知识和信息网络在制造企业之间实施敏捷制造。IIS 系统由符合商业过程的信息流和数据库组成,包括商业活动建模、活动连接规则以及活动信息的构成、转化、储存和流动。它是根据CIMOSA(Computer Integrated Manufacturing Open Systems Architecture)和SADT ( St ructured Analysis and Design Technique) 原理开发的,目前这一系统已应用于制造企业的市场管理之中。

    Shaw M J 探讨了知识和信息网络驱动的先进制造技术,提出制造信息用于确定制造什么、制造时间、制造质量的信息驱动概念。当产品制造同时涉及许多产品类型、设备、市场和企业时,制造系统将变得非常复杂,有效运作这种复杂制造系统的措施之一是采用基于知识和信息网络的制造技术。Shaw M J 还研究了在制造过程中应用Web 技术来帮助协调供应链活动、制造系统结构、产品类型、信息共享之间的关系。

    2 敏捷制造可视化技术

    敏捷制造的基本特征是智能化和敏捷性。智能化是指在组织和实施制造活动的过程中,利用人的智能、知识、经验和包括技艺在内的能力,同时也利用人工智能。敏捷性是指对市场需求的响应灵活而快捷。制造业的敏捷性趋势将会使不同的企业为了相同的目的进行联系,以组成基于网络的动态联盟。制造业的智能化将促使企业更好地利用人类的知识资源,基于知识对市场作出有效响应。对市场的敏捷和有效响应要求企业实施基于知识和信息网络的敏捷制造,特别是应用可视化技术的敏捷制造,它将分散的资源快速联结起来,使企业不计地域和时差的限制,在可视化技术支撑下运作产品的设计、制造和营销业务。

    2.1 可视化设计

    为迎合市场需求,产品生产已从大批量生产的效率向客户快速提供定制产品的大规模定制MC(Mass Customization) 方式转变。对客户而言,所得到的产品是定制的、个性化的;对生产厂家而言,该产品是采用大批量生产方式制造的。目前,这种既能满足客户个性化需求而又不牺牲企业效益的新的生产方式在国外得到了较快的发展,并作为敏捷制造的一种有益补充逐渐被企业所采纳。针对这一发展趋势,Tseng M M 等提出一种尽快产生产品模型的虚拟设计方法。利用这种虚拟模型可使用户方便地选择产品,同时面向知识和信息网络完成基于可视化仿真的产品设计。

    Tseng M M , Xuehong D提出一种“用户设计(Design by Customers) ”的产品开发模式,针对用户需求确定企业的产品开发战略,应用适应性连接分析方法(Adaptive Conjoint Analysis) 来帮助用户分其需求,定义产品方案,做可视化选择并评估产品方案。Cheng K等提出基于Web 的设计和制造辅助系统来迅速实施用户定制要求下的产品设计和制造过程,系统由JAVA 编程、C/ S (Client/ Server)技术和开放式计算环境所组成。Yen B , Ng K也应用Web 技术和虚拟现实技术设计开发了一个原型系统,使得用户可参与产品的尺寸、款式、颜色和其他属性需求的定义。

    2.2 可视化制造

    市场的动态变化和个性化需求,促使基于Internet 的敏捷制造的进一步发展并大大提高了企业的敏捷性。Internet技术使企业间和企业内共享信息成为可能,使企业的各种活动和过程变得敏捷化以有效参与竞争。Stanley J H , Yancey R N应用虚拟现实技术研究了CT (Computed Tomography)辅助下敏捷制造产品的质量检测过程,在计算机内对零件及其加工过程进行可视化设计,利用快速成型设备进行制造,应用CT 技术对制造零件结构进行非破坏性检测。Song L , Nagi R对敏捷制造信息系统的设计和开发进行了研究,并基于网络对分布在不同地点的制造数据库加以集成而组成一个原型系统。该系统使用面向对象技术以层次的方式对信息建模,利用C/ S 结构的WWW技术完成。系统支持敏捷制造单元间的信息交换并保持信息一致性。

    3 敏捷制造多模态人机交互技术

    敏捷制造多模态人机交互,是指为了信息处理的方便,在产品实体方案确定前对有关信息进行模型化处理,以帮助分析者、设计者及用户清楚地表示产品概念,便于互相通讯和交流,提高产品的创新性和缩短交货日期。通过多模态人机交互,可以在实施产品方案制造前获得该产品的相关知识和信息,有利于用户、设计者和制造者对产品创新要求及各种资源进行评估和分析,减少设计和制造费用。敏捷制造多模态人机交互技术包括三种:面向功能、面向控制以及面向知识和信息网络。

    3.1 面向功能的多模态人机交互

    该模型用于描述敏捷制造过程中各种交互功能及人机之间的联系,如虚拟现实技术中各种交互手段、数据头盔、数据手套、立体眼睛等。Agah A , Tanie K提出一种通过智能图形用户界面改善人机交互有效性和效率的新方法,系统通过智能控制模块来监督用户并把监督状况转换为系统行为。智能模块由一组软件智能体组成,用它们之间的协同和竞争来控制系统。Chi-Cheng PC hu 等开发了一种VR-CAD系统的多传感用户界面,通过使用多模态传感器,设计者能通过VR(Virtual Reality) 技术来检测设计概念。其中系统的人机多传感界面使用了不同输入输出的视觉、听觉和触觉交互机制,如声音命令和手运动的输入、三维可视化输出和听觉输出等。

    3.2 面向控制的多模态人机交互

    该模型描述与时间和操作次序有关的敏捷制造属性,如制造过程中的任务描述、工艺规划、资源配置、动态模拟等。

    在这一方面,基于Agent 多模态人机交互系统具有很大潜力,它使得集中顺序式制造模式由分布式智能制造模式所代替。针对大规模定制的特点和在控制与规划上的不同要求,Tseng M M 等研究了准市场环境下利用智能Agent来实施面向大规模定制的敏捷制造协同控制与交互机制。他们设计了两种智能Agent,一种是任务Agent ,另一种是资源Agent ,前者用于完成产品的设计和制造任务,后者是保证完成产品任务所需的资源。

    3.3 面向知识和信息网络的多模态人机交互

    该模型主要描述有关产品敏捷制造的各种信息流、知识流的数据结构及其属性,并基于网络实施多模态人机交互,如基于知识和信息的Internet 、Intranet 网及各种浏览器的应用等,使得用户、设计者和制造者之间能在远程异地模式下实时交互。

    从制造商告诉消费者买什么产品的大规模生产到消费者告诉制造商制造什么产品的大规模定制,知识和信息网络技术有力地支持了消费者与制造商之间的这种转变。Baker A D 等研究了通过Internet 来管理分布式制造的交互过程,他们应用Agent 来有效配置可用制造资源以实施大规模定制。Simon S 等研究了一种工程设计建模语言,它具有基于Web 的智能界面,可使远程用户能够创建、编辑、浏览设计知识库,使得设计知识的表示、获取、共享和再应用更加方便灵活。

    综上所述,敏捷制造正基于知识和信息网络向可视化及多模态人机交互方向发展。

    4 应用前景

    基于知识和信息网络的敏捷制造涉及多种技术和应用领域,具有广泛的应用前景,具体体现在以下几个方面:

    (1) 面向知识和信息网络,建立一套支持敏捷制造数字化、并行化、智能化、集成化的多模态人机交互信息处理与应用理论及方法,根据用户的个性化需求和市场的竞争趋势,以有效地组织敏捷制造动态联盟,充分利用各种资源进行多模态人机协同的敏捷制造,尽快响应市场需求。

    (2) 基于知识和信息网络,对定制产品的外观形态、方案布局和多模态环境下人机交互等环节的支持加强,以提高敏捷制造系统的可塑性及定制产品在美观性、宜人性等方面运作过程的可视化。

    (3) 实施敏捷制造,可促使企业的工作流程重组、信息资源重组和制造结构重组,促使企业更快地捕捉市场需求信息。

    (4) 利用多模态人机交互技术来改变企业以试制、试验和改进为主的传统制造开发过程,使之转变为市场需求下以设计、分析和评估为主并基于知识和信息网络迅速组成动态联盟的可视化敏捷制造,从而缩短产品开发时间,提高市场竞争能力。