MROII系統(tǒng)支持工業(yè)化持續(xù)發(fā)展

莫欣農(nóng)，王建民，張力，劉英博

（清華大學(xué)軟件學(xué)院，北京 100084）

20世紀(jì)中葉發(fā)明的計算機(jī)技術(shù)給制造業(yè)帶來巨大的沖擊。一方面計算機(jī)輔助技術(shù)極大地提高了產(chǎn)品設(shè)計與制造的技術(shù)，使得勞動生產(chǎn)率持續(xù)地成倍增長。另一方面計算機(jī)智能技術(shù)廣泛融入到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)之中，使得產(chǎn)品的性能和質(zhì)量得到空前的提升。在此基礎(chǔ)上，人們有可能為了獲得更高質(zhì)量的生活，大幅度地增加各式各樣的產(chǎn)品需求，由此造就工業(yè)化以歷史上前所未有的速度向前發(fā)展。

信息化帶動工業(yè)化高速發(fā)展的同時也帶來負(fù)面的影響?！兑捉?jīng)》中“澤中有火”記載了中國發(fā)現(xiàn)石油的時間距今已有三千多年。美國托萊多大學(xué)地質(zhì)學(xué)教授克雷格·哈特菲爾德在1998年指出：“自1979年以來，全世界已燒掉的石油比到那一年為止人類整個燒油史中燒掉的石油還多?！薄卑凑战?0年相當(dāng)歷史上3000年的消耗速度來看，有人估計，地球上的全部石油大約在今后幾十年至一百多年內(nèi)就會消耗光。其他地球資源同樣也會面臨枯竭的危險。因此，信息化需要為工業(yè)化持續(xù)發(fā)展提供節(jié)約資源的制造模式。

現(xiàn)代化產(chǎn)品一方面給人類帶來高效、便捷、友好的服務(wù)，同時也給產(chǎn)品的維修服務(wù)帶來新的挑戰(zhàn)。像飛機(jī)、高速客車等大型復(fù)雜產(chǎn)品，一旦發(fā)生故障，通常就會造成重大損失?，F(xiàn)有的定期檢查有可能維護(hù)過度，精密的零部件拆裝次數(shù)太多引起額外的質(zhì)量下降，也可能由于產(chǎn)品運(yùn)行環(huán)境的不同造成維護(hù)不足，引發(fā)重大事故。因此，信息化應(yīng)該為工業(yè)化持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)合理維修的技術(shù)支持。

產(chǎn)品的智能化大大降低使用人員的操作難度，改善用戶的工作條件，同時對維修人員卻提出苛刻的要求。通常智能化產(chǎn)品包含大量的知識專利技術(shù)，尤其是嵌入式軟件已經(jīng)成為智能產(chǎn)品的核心部件，占據(jù)產(chǎn)品價值的主體部分。傳統(tǒng)的師傅帶徒弟培養(yǎng)的維修人員不可能勝任智能化產(chǎn)品的維修服務(wù)。因此，信息化有責(zé)任為工業(yè)化持續(xù)發(fā)展提供新型的維修管理體系。

解決經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)的矛盾是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。制造業(yè)除了要解決生產(chǎn)過程中的污染以外，最大限度減少浪費(fèi)、節(jié)省資源是保護(hù)環(huán)境最有效的手段。為此，制造業(yè)通常采取以下手段來保護(hù)環(huán)境。

面向節(jié)約型的設(shè)計。產(chǎn)品設(shè)計時采用一切可以節(jié)約能源、材料的技術(shù)，使得產(chǎn)品在制造和使用過程中有效地減少資源消耗和碳排放。

面向精益化的運(yùn)維。節(jié)約型產(chǎn)品在使用過程中還要講究精益化。一方面要保證產(chǎn)品發(fā)揮正常的功能，同時要把產(chǎn)品可能發(fā)生的意外和故障降到最低限度。

面向再制造的回收。一旦產(chǎn)品常規(guī)維修成本超過使用價值時，將報廢產(chǎn)品中還有利用價值的零部件通過再制造的方法重復(fù)使用，從而最大限度地節(jié)約地球上有限的資源。

面對節(jié)約型設(shè)計、精益化運(yùn)維和再制造回收等三方面需求，傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)和使用模式遇到新的挑戰(zhàn)。

從大型復(fù)雜產(chǎn)品全壽命周期成本控制 (LCC,Lifecycle CostControl)的角度分析，LCC總成本的60%～70%是產(chǎn)品運(yùn)行維修費(fèi)用，超過產(chǎn)品采購費(fèi)用。隨著產(chǎn)品的復(fù)雜程度不斷提高，產(chǎn)品知識資產(chǎn)受到制造商的保護(hù)，用戶自己的維修人員不可能完全掌握核心的維修技術(shù)。特別是大量的維修采用替換的方法，產(chǎn)品用戶要儲備足夠的備件越來越困難，換下來的零部件又無法修復(fù)重用，導(dǎo)致產(chǎn)品自行維修的難度和成本不斷增加。為了破解產(chǎn)品維修難題，用戶對使用產(chǎn)品的維修策略必須從自行維修為主轉(zhuǎn)變?yōu)槲鈱I(yè)維修為主的模式。

產(chǎn)品制造商為了面對市場快速變化和需求多樣化的特點(diǎn)必須不斷改進(jìn)產(chǎn)品，使得產(chǎn)品的復(fù)雜程度、可靠性和易用性成倍增加，開發(fā)成本居高不下。與此同時各種CAX輔助手段不斷增強(qiáng)產(chǎn)品仿制能力，產(chǎn)品開發(fā)商新研制的產(chǎn)品不久就會遇到山寨版的挑戰(zhàn)，不得不陷入價格戰(zhàn)的泥潭。為了突破成本惡性競爭的魔咒，制造業(yè)必須從單純的生產(chǎn)型制造轉(zhuǎn)移到價值鏈高端的服務(wù)型制造。

產(chǎn)品全生命周期分為前期 (BOL,BeginningofLifecycle)、中期 (MOL，MeddleofLifecycle)和末期 (EOL,EndofLifecycle)等三個階段。圖1描述傳統(tǒng)制造的產(chǎn)品價值主要體現(xiàn)在初期和中期交接時，把產(chǎn)品交付給用戶而獲得的銷售收入，在中期和后期該產(chǎn)品幾乎沒有帶來明顯的收益。為了贏得市場，在價格戰(zhàn)中制造商不得不壓縮銷售利潤。這種傳統(tǒng)制造模式的價值鏈曲線好比苦笑曲線。長此以往，制造業(yè)無法保持持續(xù)發(fā)展的能力。如果在前期通過咨詢設(shè)計、分析仿真等技術(shù)服務(wù)，提高產(chǎn)品的知識含量，大幅度提升產(chǎn)品的核心價值，加大仿制的技術(shù)難度。在中期通過跟蹤產(chǎn)品運(yùn)行的狀態(tài)，及時給用戶提供使用支持、維修保養(yǎng)、備品備件，提高產(chǎn)品運(yùn)行的完好率，降低用戶的維修成本，從而獲得產(chǎn)品運(yùn)行周期內(nèi)穩(wěn)定長期的維修服務(wù)價值。在末期制造商利用所掌握的產(chǎn)品實(shí)際運(yùn)行知識，提醒用戶繼續(xù)通過維修保養(yǎng)的成本將會超出產(chǎn)品的剩余價值。產(chǎn)品停止使用后按照實(shí)際情況合理地進(jìn)行大修翻新或整體拆解，留下可以重復(fù)利用的零部件投入再制造，用比較低廉的成本創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)效益。據(jù)統(tǒng)計資料分析，前期知識服務(wù)的利潤率可以達(dá)到30%左右，單純生產(chǎn)制造的利潤率通常不超過7%，中期和后期的成本遠(yuǎn)低于生產(chǎn)制造階段，知識含量不超過前期管理的范圍，但利潤率卻超過20%以上。由此可見，產(chǎn)品價值主要體現(xiàn)在前期的知識資產(chǎn)和中后期的服務(wù)，這種以服務(wù)為主要獲利模式的制造稱之為服務(wù)型制造，它的價值鏈曲線稱之為微笑曲線。

從傳統(tǒng)制造業(yè)向現(xiàn)代制造業(yè)轉(zhuǎn)變的過程中，現(xiàn)代信息化技術(shù)為中國制造向中國創(chuàng)造、生產(chǎn)型制造向服務(wù)型制造的二大轉(zhuǎn)型提供了有力的支持。

計算機(jī)仿真技術(shù)。數(shù)字化方法可以將產(chǎn)品的設(shè)計、制造、運(yùn)行、維修、拆卸等過程在虛擬環(huán)境中進(jìn)行仿真。通過調(diào)整各種參數(shù)模擬不同的設(shè)計方案、制造工藝、運(yùn)行環(huán)境、維修策略、拆卸流程等過程，不斷優(yōu)化產(chǎn)品的設(shè)計和制造水平，實(shí)現(xiàn)節(jié)約型產(chǎn)品的開發(fā)。

數(shù)字化制造技術(shù)。經(jīng)過數(shù)字化仿真驗(yàn)證的工藝可以大幅度提高產(chǎn)品的制造質(zhì)量，數(shù)字化制造還詳細(xì)記錄每一臺或批次產(chǎn)品的實(shí)際質(zhì)量和裝配過程，為產(chǎn)品投入使用提供準(zhǔn)確的原始信息和相關(guān)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

智能傳感技術(shù)。信息化技術(shù)使得大量智能的硬件和軟件嵌入到產(chǎn)品的各個角落。它們承擔(dān)檢測和控制產(chǎn)品各個部位的健康狀態(tài)和完成各自功能的責(zé)任，完成人工無法執(zhí)行的各項(xiàng)復(fù)雜任務(wù)。

網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)。在全球網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，產(chǎn)品的設(shè)計、制造、運(yùn)行、維修等信息傳遞都變得如此便捷，以至于空間和距離的差別幾乎可以忽略不計。尤其是嵌入式系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)時傳遞產(chǎn)品運(yùn)行的各種參數(shù)。這樣信息對于設(shè)計制造人員及時了解產(chǎn)品的真實(shí)性能，對于運(yùn)行人員準(zhǔn)確調(diào)度產(chǎn)品運(yùn)行計劃，對于維修人員及時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品狀態(tài)的變化和采取合理的應(yīng)對策略，對于回收利用人員掌握報廢產(chǎn)品各部件真實(shí)狀態(tài)等方面都創(chuàng)造了前所未有的條件。

人工智能技術(shù)。計算機(jī)能夠把設(shè)計、制造、運(yùn)行、維修、回收等階段各式各樣的知識相互關(guān)聯(lián)起來，并且按照一定檢索的規(guī)律保存起來。通過各種數(shù)據(jù)挖掘的方法，從大量的數(shù)據(jù)中找出規(guī)律性的知識，從而幫助人類不斷積累和使用前人留下的大量寶貴經(jīng)驗(yàn)，在保護(hù)環(huán)境的前提下加速工業(yè)化的進(jìn)程。

上述計算機(jī)仿真、數(shù)字化制造、智能傳感、網(wǎng)絡(luò)傳輸和人工智能等五項(xiàng)技術(shù)為制造業(yè)持續(xù)發(fā)展創(chuàng)造了一個全新的局面。產(chǎn)品全生命周期管理 (PLM)技術(shù)就是利用上述五項(xiàng)技術(shù)建立以BOM為核心的產(chǎn)品數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，見圖2.

在前期設(shè)計制造階段，產(chǎn)品的功能說明，使用操作流程等概念性設(shè)計數(shù)據(jù)分別關(guān)聯(lián)到功能BOM中對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)對象上。產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)模型和圖紙、電氣/電子的原理圖和仿真結(jié)果、軟件的設(shè)計流程和源代碼等分別關(guān)聯(lián)到設(shè)計BOM的對應(yīng)節(jié)點(diǎn)上。在重要的節(jié)點(diǎn)上還關(guān)聯(lián)各種故障判別標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)的處理方法。產(chǎn)品制造的工藝關(guān)聯(lián)到制造BOM上。針對每一個或每一批次的產(chǎn)品實(shí)際制造BOM關(guān)聯(lián)上實(shí)際制造的質(zhì)量數(shù)據(jù)。

在中期首先根據(jù)實(shí)際制造BOM構(gòu)建統(tǒng)一批次產(chǎn)品的中性BOM，每個需要進(jìn)行維修管理的對象上關(guān)聯(lián)各類故障相關(guān)的預(yù)測、預(yù)防和排除的知識，建立和功能BOM、設(shè)計BOM、制造BOM等前期所有BOM的關(guān)聯(lián)關(guān)系。然后依據(jù)每一個產(chǎn)品的實(shí)際配置情況，從中性BOM上派生出實(shí)例BOM。每一個產(chǎn)品的運(yùn)行數(shù)據(jù)、故障記錄、維修過程和變更歷史均關(guān)聯(lián)到實(shí)例BOM對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)對象上，形成單個零部件或整個產(chǎn)品的全壽命履歷表。在對運(yùn)行數(shù)據(jù)和故障處理進(jìn)行分析時，通過中性BOM的關(guān)聯(lián)關(guān)系，迅速找到前期相關(guān)設(shè)計、制造的有關(guān)資料，保證數(shù)據(jù)的一致性。中性BOM通過與全部實(shí)例BOM的關(guān)聯(lián)關(guān)系，隨時可以統(tǒng)計同一型號、同一批次每一個零部件或整個產(chǎn)品的運(yùn)行狀態(tài)和質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)規(guī)律性的事故和維修經(jīng)驗(yàn)，反饋到前期改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計或制造，或總結(jié)成新的維修知識固化到中性BOM的對應(yīng)節(jié)點(diǎn)上。

產(chǎn)品生命周期中期的中性BOM和實(shí)例BOM是由MROII(維護(hù)、維修、大修和運(yùn)行管理)系統(tǒng)進(jìn)行管理。該系統(tǒng)承接產(chǎn)品中期設(shè)計與制造的信息；利用智能傳感和網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)采集和管理產(chǎn)品運(yùn)行過程中的實(shí)時信息；利用人工智能技術(shù)，結(jié)合計算機(jī)仿真和數(shù)字化制造技術(shù)，按照設(shè)計和制造時指定的標(biāo)準(zhǔn)，分析產(chǎn)品各部分實(shí)際運(yùn)行的狀況，開展精益化的維護(hù)和維修，保證產(chǎn)品以最低的故障代價達(dá)到最高的使用價值，同時大幅度提高備品備件的利用率和總體維修成本。更重要的是通過PLM系統(tǒng)將MROII子系統(tǒng)中產(chǎn)品實(shí)際運(yùn)行和維修的信息反饋到前期，加速產(chǎn)品的更新?lián)Q代。MROII子系統(tǒng)在末期根據(jù)產(chǎn)品各個零部件實(shí)際履歷表來衡量可回收再利用的可能性，通過拆解和翻新，制造出性能不亞于全新零部件組成的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)有限資源重復(fù)利用的綠色制造。

綜上所述，MROII技術(shù)是圍繞制造業(yè)減少浪費(fèi)和節(jié)省資源，支持工業(yè)化持續(xù)發(fā)展的有利武器。