模具基礎(chǔ)：方興未艾的制造信息學(xué)研究

1、模具基礎(chǔ)：方興未艾的制造信息學(xué)研究                【摘 要】 根據(jù)現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，本文給出了制造信息學(xué)的基本概念以及制造信息的性質(zhì)和類型，提出了制造信息學(xué)的體系結(jié)構(gòu)和理論基礎(chǔ)，并討論了制造信息學(xué)的有關(guān)研究?jī)?nèi)容，制造信息學(xué)為制造系統(tǒng)研究提供了一種新的方法。 北方工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 林宋 一、序言 制造信息學(xué)起源于18世紀(jì)英國(guó)的第一次工業(yè)革命時(shí)期，它對(duì)人類文明的發(fā)展產(chǎn)生過重要的影響，它把農(nóng)業(yè)社會(huì)推向了工業(yè)社會(huì)，使制造

2、業(yè)在行業(yè)中取得了領(lǐng)導(dǎo)地位。在20世紀(jì)中葉，計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的發(fā)展導(dǎo)致了信息革命，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成為第二次工業(yè)革命的標(biāo)志。市場(chǎng)需求的快速變化和全球經(jīng)濟(jì)一體化極大地拓展了制造活動(dòng)的深度和廣度，推動(dòng)制造業(yè)朝著自動(dòng)化、智能化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化和全球化的方向發(fā)展。在制造系統(tǒng)和制造過程中，最活躍和最起決定性作用的是信息，制造業(yè)的生存和發(fā)展愈來愈密切地依賴于知識(shí)，提高制造系統(tǒng)的信息處理能力已成為現(xiàn)代制造科學(xué)發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)。 信息技術(shù)的快速發(fā)展，正在為制造業(yè)提供大量的有力工具。然而，這種發(fā)展也給企業(yè)提出新的挑戰(zhàn)：為了成功地駕馭日益增長(zhǎng)的全球化市場(chǎng)，信息正在快速地成為保持持續(xù)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的唯一源泉?，F(xiàn)代制造業(yè)在某種意義上正

3、在成為一種信息產(chǎn)業(yè)，它加工、處理信息，將制造信息“錄制”在原材料和毛坯上，提高其信息含量，使之轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品。其創(chuàng)造的財(cái)富，實(shí)際上也是某種形式的信息，即產(chǎn)品信息和制造信息。在這種形勢(shì)下，信息技術(shù)對(duì)制造技術(shù)的滲透、影響，已不僅僅是后者利用前者在硬件與軟件方面的成果，而是兩者在基礎(chǔ)概念和結(jié)構(gòu)體系上的融合，使得一門新興的交叉學(xué)科“制造信息學(xué)”初露端倪。 目前，制造信息學(xué)研究已列入國(guó)家“十五”的優(yōu)先資助項(xiàng)目。其中，數(shù)據(jù)建模、數(shù)據(jù)挖掘、分布式制造信息系統(tǒng)以及信息化制造是21世紀(jì)制造科學(xué)的前沿研究領(lǐng)域。 二、制造信息學(xué)有關(guān)概念的定義 制造是一種產(chǎn)生具有出售優(yōu)勢(shì)，由實(shí)體和服務(wù)所構(gòu)成產(chǎn)品的行為。制造過程是將制造信

4、息物化在原材料或毛坯上并使之轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品信息的過程，采用不同的制造知識(shí)和工藝方法，將導(dǎo)致不同的材料和能量的轉(zhuǎn)換方式和利用效率。制造信息是制造確定性的表征，反映了制造系統(tǒng)的有序化過程。作為實(shí)現(xiàn)制造過程的特定功能所需知識(shí)的測(cè)度，它包括實(shí)施制造過程中的經(jīng)驗(yàn)法則和客觀規(guī)律等技術(shù)措施以及協(xié)調(diào)生產(chǎn)環(huán)節(jié)相互關(guān)系的邏輯決策知識(shí)等。 制造信息學(xué)是研究與制造活動(dòng)有關(guān)的信息的本質(zhì)、特征、計(jì)量、采集、傳遞、交換和儲(chǔ)存的基本理論和方法。 三、制造信息學(xué)的體系結(jié)構(gòu) 制造信息學(xué)的研究?jī)?nèi)容包括制造過程中的信息集成、流動(dòng)和利用；制造活動(dòng)中人的經(jīng)驗(yàn)、技能、訣竅和知識(shí)的表達(dá)、傳遞、變換；非符號(hào)信息表達(dá)；海量制造信息的獲取、分析、規(guī)范

5、、存儲(chǔ)和保真機(jī)制；非完整制造信息狀態(tài)下的生產(chǎn)決策；數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)、知識(shí)庫(kù)和知識(shí)發(fā)現(xiàn)；分布式制造信息系統(tǒng)等。就此，筆者提出圖1所示的制造信息學(xué)的體系結(jié)構(gòu)。 圖1 制造信息學(xué)的體系結(jié)構(gòu) 1. 制造信息的特點(diǎn) (1) 制造信息的多態(tài)性 在制造系統(tǒng)中，除一般的結(jié)構(gòu)化信息外，還有大量的非結(jié)構(gòu)化信息，如圖形信息、實(shí)體模型、數(shù)控程序、超長(zhǎng)文本、專家知識(shí)、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)等數(shù)據(jù)類型，加上很多信息交換頻繁，因此，使制造信息呈明顯的多態(tài)性。在數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)過程中，必須考慮各種信息的分類和各自的特點(diǎn)，為這些種類和變化繁多的數(shù)據(jù)類型安排合理的存儲(chǔ)和管理機(jī)制。 (2) 制造信息的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性 制造系統(tǒng)中的許多信息結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，如圖形、實(shí)

6、體模型、數(shù)控程序、工藝文件等信息，難以采用模型表形式進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，這對(duì)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)提出了更高的要求。 (3) 制造信息的分布性和異構(gòu)性 制造信息分布在制造系統(tǒng)的各個(gè)應(yīng)用單元中，并且由于數(shù)據(jù)庫(kù)建立的時(shí)間差異、系統(tǒng)環(huán)境的差異、應(yīng)用目的的差異，使數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)構(gòu)、應(yīng)用環(huán)境呈明顯的異構(gòu)性。這種分布和異構(gòu)的情況，為保證數(shù)據(jù)的一致性、安全性和可靠性以及信息轉(zhuǎn)換和通信帶來了較大的難度。如何對(duì)制造信息進(jìn)行合理的組織和分布，如何實(shí)現(xiàn)異構(gòu)信息的通信與交換是數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的重要任務(wù)。 (4) 制造信息的實(shí)時(shí)性要求 底層制造系統(tǒng)要考慮實(shí)時(shí)加工和監(jiān)控信息的收集、分析和管理，這就要求采用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)。 (5) 制造信息的集成

7、性要求 在生產(chǎn)過程中，各個(gè)信息分系統(tǒng)之間頻繁地進(jìn)行著數(shù)據(jù)交換，為了實(shí)現(xiàn)信息的共享，減少信息的冗余，在數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮信息的集成要求。根據(jù)信息是共享數(shù)據(jù)還是局部數(shù)據(jù)來設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)位置和分布方式，根據(jù)共享數(shù)據(jù)的特點(diǎn)規(guī)劃各個(gè)信息系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換內(nèi)容和數(shù)據(jù)集成。 2. 制造信息分類 信息存在形式與信息所在系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)、功能及組織形式緊密相關(guān)。合理的分類可更好地描述制造信息，以利于建立制造過程數(shù)據(jù)庫(kù)，為制造決策提供依據(jù)。合理刻畫制造系統(tǒng)中的信息類別是描述制造信息的一個(gè)重要方面。圖2對(duì)制造信息MI按表征對(duì)象、表征形式、時(shí)間特征、空間特征、生成方式、結(jié)構(gòu)特征和服務(wù)目的進(jìn)行了分類，用三元組或二元組集

8、合可將制造信息表示如下： MI=DE，MC，MG； MI=DG，WD，F(xiàn)G； MI=DY，JT，ST； MI=GL，RE； MI=PU，PR； MI=AT，AU，SA； MI=CN，SC，NC； MI=MD，CT。 從上面分類中還可得到其交叉分類，如REPRCT表示局部的、專有的控制信息等。 圖2 制造信息的分類 3. 制造信息學(xué)的理論基礎(chǔ) 制造科學(xué)與信息科學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)、控制科學(xué)、管理科學(xué)和數(shù)學(xué)建模理論等構(gòu)成了制造信息學(xué)的理論基礎(chǔ)。 (1) 制造科學(xué)吸納了歐幾里得幾何學(xué)、牛頓力學(xué)和經(jīng)典物理學(xué)的精髓，又有機(jī)地結(jié)合了計(jì)算機(jī)、信息、材料、自動(dòng)化、管理等學(xué)科的基本理論，從而跨學(xué)科全局研究多目標(biāo)、多介質(zhì)

9、、非線性的制造系統(tǒng)，利用有限的制造資源，尋優(yōu)實(shí)現(xiàn)預(yù)定的制造目標(biāo)。它與制造信息學(xué)構(gòu)成了數(shù)字化制造的基礎(chǔ)。 (2) 從信息科學(xué)的觀點(diǎn)看，制造過程本質(zhì)上可抽象為一個(gè)信息的采集、傳遞、加工和利用過程，產(chǎn)品是制造信息的物化。 (3) 科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展使制造業(yè)面臨網(wǎng)絡(luò)化、知識(shí)化、服務(wù)化和復(fù)雜化的挑戰(zhàn)，進(jìn)而導(dǎo)致了制造系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)和功能的非線性、時(shí)變性、突發(fā)性和不平衡性。因此，需將系統(tǒng)科學(xué)的思想方法融入到制造過程各個(gè)環(huán)節(jié)并貫穿于整個(gè)制造系統(tǒng)，使生產(chǎn)活動(dòng)保持穩(wěn)定，適應(yīng)市場(chǎng)的變化。 (4) 從控制科學(xué)的觀點(diǎn)看，制造是一種受控的造物過程，信息是制造的基礎(chǔ)，只有獲得準(zhǔn)確的信息，才能進(jìn)行有效的控制。目前，制造研究已從

10、主要對(duì)實(shí)際制造過程的控制發(fā)展為對(duì)控制制造活動(dòng)的信息進(jìn)行管理。 (5) 數(shù)學(xué)模型是對(duì)被控對(duì)象或系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性或靜態(tài)特性的數(shù)學(xué)描述，它定量刻畫了狀態(tài)變量、干擾變量、輸入與輸出等各種變量之間的關(guān)系。拋開制造過程的具體物質(zhì)構(gòu)成和能量形式，將制造系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)抽象為數(shù)學(xué)模型來加以處理。 (6) 管理科學(xué)與先進(jìn)制造技術(shù)相結(jié)合形成了許多新的制造模式，如成組技術(shù)(GT)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)、準(zhǔn)時(shí)制生產(chǎn)(JIT)、并行工程(CE)、精益生產(chǎn)、敏捷制造(AM)、虛擬制造(VM)、客戶化生產(chǎn)(CP)、供應(yīng)鏈管理(SCM)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)、企業(yè)資源計(jì)劃(ERP)和客戶關(guān)系管理(CRM)等，它們是從產(chǎn)品

11、制造的不同側(cè)面提出的解決方案，以改進(jìn)企業(yè)運(yùn)作整體效率。而制造資源計(jì)劃，企業(yè)資源計(jì)劃，管理信息系統(tǒng)，產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)庫(kù)技術(shù)又構(gòu)成了制造信息支持系統(tǒng)。 4. 制造信息的表示與建模 從制造過程的集成化要求出發(fā)，制造信息不只孤立地服務(wù)于產(chǎn)品的加工制造，而應(yīng)該作為產(chǎn)品整個(gè)生命周期中的各種開發(fā)活動(dòng)的依據(jù)之一。STEP是產(chǎn)品生命周期數(shù)據(jù)表達(dá)和交換的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，它提供一種不依賴于具體系統(tǒng)的中性機(jī)制，描述產(chǎn)品的各種數(shù)據(jù)。STEP標(biāo)準(zhǔn)提供了EXPRESS語(yǔ)言作為產(chǎn)品建模的手段，可滿足產(chǎn)品數(shù)據(jù)集成、交換與共享的要求。XML是一種通用數(shù)據(jù)傳輸格式，具有可擴(kuò)展性、自描述性和異構(gòu)性，適于產(chǎn)品技術(shù)文檔的表達(dá)、共享、

12、交換，具有良好的網(wǎng)絡(luò)交互可靠性和互操作性。在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境里，STEP和XML這兩種標(biāo)準(zhǔn)的異構(gòu)信息同時(shí)存在并相互關(guān)聯(lián)，集成XML和STEP，以XML表示EXPRESS驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)，可形成基于Web的產(chǎn)品數(shù)據(jù)和技術(shù)文檔信息相互統(tǒng)一表達(dá)的信息集成。 5. 制造信息的存儲(chǔ)與管理 制造系統(tǒng)的分布式網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)和柔性敏捷化要求，使制造過程中所接收處理的信息急劇增長(zhǎng)，大量信息已成為制約制造系統(tǒng)效能的關(guān)鍵因素。采用由分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng)所組成的制造信息系統(tǒng)存儲(chǔ)與管理制造信息，具備分散式處理與集成異地制造功能的能力。 隨著Web技術(shù)的不斷發(fā)展，信息管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)已經(jīng)從C/S結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)锽/S結(jié)構(gòu)

13、。以XML為基礎(chǔ)的新一代WWW環(huán)境直接面對(duì)Web數(shù)據(jù)，不僅兼容原有的Web應(yīng)用，而且可實(shí)現(xiàn)Web中的信息共享與交換。XML的文檔描述與關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)中的屬性的一一對(duì)應(yīng)，可實(shí)施精確的查詢和模型抽取?；贑ORBA和STEP技術(shù)的STEP數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)可提供跨網(wǎng)絡(luò)的集中數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能，嚴(yán)格保證共享的全局?jǐn)?shù)據(jù)的完整性、一致性。 6. 制造信息的集成與共享 Internet/Intranet的廣泛應(yīng)用構(gòu)成了制造信息共享和交換的基礎(chǔ)，Intranet可實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部的信息集成，由桌面產(chǎn)品訪問后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，在制造中共享實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；Extranet則可實(shí)現(xiàn)企業(yè)與供應(yīng)鏈伙伴或客戶的信息共享。從信息管理角度看，并行工程的核

14、心是信息共享，而建立虛擬企業(yè)首先必須建立有效的信息集成與共享機(jī)制。 由于制造信息常分散在企業(yè)的不同節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)庫(kù)的不同層面中，數(shù)據(jù)庫(kù)也建立在不同的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)上，這種異構(gòu)環(huán)境下的制造信息集成應(yīng)體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的要求，保證制造系統(tǒng)間的互操作，支持基于Internet的信息表示和共享。采用CORBA作為不同軟件工具的通信機(jī)制，它所定義的分布式對(duì)象結(jié)構(gòu)與規(guī)則，可讓不同廠商生產(chǎn)的ORB(Object Request Broker)對(duì)象元素在任何網(wǎng)絡(luò)和操作系統(tǒng)上互操作，客戶機(jī)和服務(wù)器可完成各種請(qǐng)求與響應(yīng)而不管平臺(tái)、操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)格式的差異，為解決異構(gòu)平臺(tái)上的分布式計(jì)算提供了很好的支持。 四、制造

15、信息學(xué)興起的哲學(xué)思考 長(zhǎng)期以來，對(duì)于人類的生產(chǎn)活動(dòng)，人們采用物質(zhì)生產(chǎn)和創(chuàng)造物質(zhì)財(cái)富的生產(chǎn)等提法。實(shí)際上，根據(jù)物質(zhì)(質(zhì)量和能量)守恒定律，世界上的物質(zhì)既不能消滅也不能創(chuàng)造，那么，人類通過生產(chǎn)活動(dòng)到底生產(chǎn)或創(chuàng)造了一些什么東西呢? 考察一個(gè)制造過程，可以發(fā)現(xiàn)：物質(zhì)生產(chǎn)所改變的并不是物質(zhì)的質(zhì)量或能量，而僅僅是相關(guān)質(zhì)量或能量的組構(gòu)方式。在生產(chǎn)中，人們破壞物質(zhì)的某種舊有結(jié)構(gòu)和狀態(tài)，并相應(yīng)建構(gòu)某種新的結(jié)構(gòu)或狀態(tài)。這樣，在生產(chǎn)活動(dòng)中，人們創(chuàng)造的僅僅是物質(zhì)的特定結(jié)構(gòu)或秩序，這種結(jié)構(gòu)或秩序乃是一種信息的編碼方式，而在此編碼活動(dòng)中，所利用的物質(zhì)(質(zhì)量或能量)材料則只具有信息載體的意義和價(jià)值。 當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)新產(chǎn)品時(shí)，設(shè)

16、計(jì)本身首先是一種信息結(jié)構(gòu)的創(chuàng)造，而后所展開的生產(chǎn)活動(dòng)便成了使這一創(chuàng)造性的信息結(jié)構(gòu)模式轉(zhuǎn)化為實(shí)物對(duì)象的產(chǎn)品過程。如果是仿制或復(fù)制某產(chǎn)品，后續(xù)展開的生產(chǎn)活動(dòng)只是按照樣品的模式來生產(chǎn)，此時(shí)，生產(chǎn)活動(dòng)改變的僅僅是對(duì)特定物的信息結(jié)構(gòu)的復(fù)制，如逆向工程。因此，物質(zhì)生產(chǎn)過程可認(rèn)為是人們復(fù)制、創(chuàng)造特定物的結(jié)構(gòu)信息以及人所設(shè)計(jì)的目的信息在實(shí)物產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)的過程。從嚴(yán)格意義上講，人類的生產(chǎn)不可能是物質(zhì)生產(chǎn)，而只能是信息生產(chǎn)。 五、結(jié)論 21世紀(jì)是信息的世紀(jì)，信息在制造系統(tǒng)和制造過程中占有越來越重要的地位?，F(xiàn)代產(chǎn)品的附加值主要體現(xiàn)在信息的獲取和應(yīng)用上。產(chǎn)品建模采用STEP標(biāo)準(zhǔn)，并將信息分為全局?jǐn)?shù)據(jù)和領(lǐng)域應(yīng)用數(shù)據(jù)分別存

17、儲(chǔ)，使用Internet技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)與制造，通過Web服務(wù)器和瀏覽器的接口機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問。而訪問與提供制造信息的雙方構(gòu)成了客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)，其交換的數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)符合STEP的語(yǔ)義，軟件系統(tǒng)的互操作性則應(yīng)符合CORBA規(guī)范。這樣可實(shí)現(xiàn)從制造信息表示與建模、存儲(chǔ)與交換以及制造信息系統(tǒng)互操作的全面集成。 制造信息學(xué)研究為分析制造系統(tǒng)及其本質(zhì)提供了一種新方法，如何及時(shí)地將諸多變化來源的無序數(shù)據(jù)和制造信息轉(zhuǎn)換成有用的知識(shí)和有效的決策是制造信息學(xué)所面臨的挑戰(zhàn)。知識(shí)創(chuàng)新已成為制造業(yè)的靈魂，而創(chuàng)新能力的獲得需要信息共享。信息化是制造科學(xué)走向全球化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化、綠色化、自動(dòng)化和現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。在我國(guó)，只有工業(yè)化與信息化的相結(jié)合才能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化，因此，制造信息學(xué)研究將