产品与过程集成——先进制造模式的共性特征

作者：练元坚

摘要阐述了产品技术、过程技术及其集成的概念以及产品与过程集成已经成为先进制造模式的共性特征。同时介绍了美国在产品与过程集成方面所作的努力及取得的成就。

关键词产品技术过程技术集成先进制造产品与过程集成

制造业的发展伴随着永不停歇的技术创新和组织创新，先进制造模式层出不穷，企业创新实践日新月异，推动着一个基于信息技术的制造业的形成。众多先进制造模式中有一个共性的指导原则和特征，这就是产品与过程集成。

1产品与过程的集成是制造业自身规律的体现和要求

1.1制造业的基本内涵是产品加过程

产品与过程，以及相应的产品技术和过程技术，是制造业技术的两个基本组成部分。它们分别体现了制造业的两大本质内容——“做什么”和“怎么做”。

按照传统的理解，产品技术和过程技术的主体就是“设计”和“工艺”。但比较确切地说，应该是以设计为中心的产品技术和以工艺为核心的过程技术构成了制造业技术。

1.2产品技术的概念提高和扩展了设计的内涵

产品技术通常被理解为设计技术，但实际上产品技术不只是具体的设计理论、方法和技巧，更重要的是具体设计前的基于市场和用户的研究，以及新技术发展的应用、经过知识加工形成的关于新产品的策划设想、概念构思和性能规划。基于适应市场经济需要的产品技术的概念，大大提高和扩展了设计技术的内涵。

1.3过程技术的概念完善和扩大了工艺的内涵

过程技术通常称为制造技术或生产技术，且按俄文的用法常被理解为工艺(технология)。实际上过程的含义涵盖了把物化前的产品设计和构思制造成物化的具体产品的全过程，因而过程技术不仅仅是制造工艺，还包括制造过程中所用的装备、工具、仪表和组织管理技术以及整个生产过程的构思、规划和设计。针对市场经济的特点，过程技术的概念完善和扩大了工艺技术的内涵。

1.4关于产品与过程的分析是一种有用的手段

认识产品技术和过程技术的规律和特点，可以作为理解和评价技术发展特征、分析和统计技术进步动向、比较和区分国家科技发展模式以及指导政府和企业科技投入的重要方法。例如：

企业越大，一般越倾向于工艺革新、过程创新，实现规模生产，得到规模效应；企业越小，往往越倾向于产品革新、产品创新，灵活推出新产品，得到抢先效益。

处在产品进入期，要把重心放在产品创新，到了成长期和成熟期，重心转向过程创新，进入生命周期的下降期或衰退期，努力的重心再次转向产品技术。

定位于标准产品、通用产品的企业必然侧重过程创新；定位于专用产品、定制产品、细分化产品的企业则侧重产品创新，如此等等。

1.5制造业产品与过程关系的发展轨迹

纵观制造业发展的历程，在手工制造时代，“做什么”和“怎么做”是一体化的，考虑这两个问题的主体是统一的。后来经过采用机器、发展大规模生产、建造流水线、实施专业化，设计者与制造者脱离，形成在国外称作“抛过墙”的关系格局。这样，在分工提高效率的同时，也带来了许多新问题，而且随着产品的复杂化、多样化，产生了越来越多的矛盾、脱节和对立。于是人们开始致力于弥补这些缺陷。在我国，从朴素的“设计交底”、“设计人员下车间”、“设计制造等七事一贯制”等，提高到在组织管理上实施协同配合、及时调度、同步交叉、加强反馈。但是始终存在着隔阂和分家，甚至哪个为主、哪个更重要的争议时有发生。当今发展的先进制造模式都以集成的思路来处理这一矛盾。其实，不难发现，一些作坊式工场，民营多能小企业，以至大量的立足创新开发的科技型企业，无不以设计与制造的高度融合，产品技术和过程技术的灵活交叉见长：每一个新产品的问世，都是同时解决了“做什么”和“怎么做”的结果。时至今日，在新的基础上普遍实现高层次的融合统一、协调发展，已成为进一步提高制造业水平的迫切要求和必然方向。

回顾发展轨迹，不难发现，从 “一体” 经过“分离” ，再走向“集成”，是螺旋式上升的发展。

产品与过程的集成，是当今受到普遍重视的方向。虽然在提法上有时用的是设计和工艺、设计和制造、设计和过程、产品和制造的集成等，其实质和确切含义都是产品与过程集成。

2产品与过程集成是先进制造模式的重要特征和方法论

2.1产品与过程的集成不是简单的叠加，其目的不只是缩短周期

产品与过程的集成可以体现出三大作用：①协调配合——相互沟通、减少矛盾、减少差错和返工；②缩短周期——早期介入、强化反馈、及早准备、提前完成；③相互提高——互相支撑和加强、了解并充分发挥自身及对方的长处和优势。

为使更充分地发挥集成的优势，从产品方面看，应该具备的能力：一是对过程友好的解决方案，如可制造性(Manufacturability);二是无差错设计(Error-free design);三是快速解决问题能力(Quick problem-solving)。而从过程方面看，应该具备的能力：一是依靠设计线索预见的能力(Forecasting)；二是驾驭适度风险的能力(Ma-naging risk)；三是处置意外变化的能力(Coping with unexpected changes)。

有了这些能力和相互关系，产品与过程的集成自然就不再是简单的叠加，而是蕴含着系统优化的能力倍增，也就是质的升级。

2.2并行工程和成组技术是实施产品与过程集成的典型

并行工程(Concurrent Engineering)出色地实现和体现了产品与过程的集成。有的文献因此直接把并行工程解释为“集成产品与过程开发”(Integrated Product-Process Development,IPPD);有的把过程再造、制造竞争力、系统工程、生命周期管理等都理解为集成产品开发的两个同步工程转轮(CE Wheels)上的组成辐条［3］。

层出不穷的各种面向下游的设计技术(DFX)中，有许多是过程导向的设计技术，如为制造而设计、为装配而设计、为回收而设计、为检测而设计、为维护而设计等，都是推进产品与过程集成的基础技术。其核心思想是设计和制造的有机结合，例如：

尽早建立设计制造联合组(团队)；

确定符合制造过程及技术的设计要求；

共同评估成本和有风险的环节；

制造工程师从概念设计开始参与设计各阶段的评估；

共同决定需要通过模型或模拟来确定的设计环节。

成组技术同样是产品与过程集成的完整体现。以产品技术与过程技术的集成为指导思想的成组生产布局，能够将产品技术和过程技术最好地结合起来，在相对独立的工作单元中，做到最大限度的灵活、快捷、高效率，既适用于多品种生产，也适合于一定数量的成批生产,将是今后一段时期内现代工厂布局的主要发展方向。

2.3信息技术、虚拟技术和快速原型制造技术为完美实施产品与过程的集成创造了前所未有的理想环境

依靠先进的信息技术，设计与制造间的及时沟通已不是什么问题。数量再大的数据信息，距离再分散的小组团队，都能在网络环境下灵活方便地共同工作。

张伯鹏教授指出：“当代制造业的两大相辅相成的技术支柱是先进的制造工艺、装备及管理技术和计算机、网络及相关软件技术。”这一论述从另一角度准确阐明了过程技术、信息技术和产品技术的紧密联系和互动关系。

虚拟制造(Virtual Manufacturing)以高度综合的特征融合了各种先进制造技术、组织和理念，使产品与过程的集成得到了完美的体现。这里很难区分产品设计阶段和过程设计阶段，设计主导阶段或是生产主导阶段。

快速原型制造(Rapid Prototype Manufacturing,RPM)既为产品与过程的集成创造了先进的新手段，又进一步模糊了设计和制造的界限，成为未来制造的重要生产方法。

2.4准时制生产、制造资源管理、精益生产、敏捷制造都以产品与过程的集成为重要原则和基础

产品与过程集成的共性特征由此更得到充分的体现。

2.5产品与过程集成代表了一种理念、原则和方法论，超越具体的制造模式或技术

产品与过程集成不像制造业近20年中不断出现的许多新理论、新学说、新技术、新方法，它不是又一种新的制造模式或新技术，它体现于诸多特定的技术和理论之中。这是一种原则，一种思维方式，一种从实践中来又回到实践中去的指导思想，一种组织制造业生产活动的基本观念和方法论，或是“理念”或“哲理”。也可以说，集成产品技术与过程技术植根于诸多的技术和理论，又高于这些技术和理论。

2.6产品与过程集成的深层次内涵超越产品与过程本身，而着眼于全面的系统集成

产品与过程集成的概念实际上已经不限于狭义的技术，而是涵盖更广阔的领域。多层面的产品与过程集成包括产品与过程技术的集成、产品规划与过程规划的集成，产品设计与过程设计的集成、产品系统与过程系统的集成、产品管理与过程管理的集成，产品组织与过程组织的集成等。

产品与过程集成的概念同样可以扩展到制造活动与销售、供应、分包等活动的集成关系。例如在整机厂和配套厂的关系中，产品与过程集成的原则可以体现在早期参与(Early Involvement)和同步工程(Synchronous Engineering)两个方面,使得主要为配合整机厂产品技术而开发过程技术的配套厂能够发挥更积极主动的作用，从而提高合作的深度和有效性。

3面向未来的制造业越来越广泛地认同和运用产品与过程集成

3.1制造业越来越倚重产品与过程的集成

面向新世纪，一些先进的制造企业都在研究适应全球化竞争形势的发展战略，都在探讨如何才是一个世界级制造企业(World-class Manufacturing，WCM)。为做到世界级制造企业必然具备的满足顾客、质量驱动、减少损耗、员工参与和永不停顿地改进等基本要求，其中一个十分重要的对策就是推行产品与过程的集成原则。如美国一个有名的生产航空涡轮发动机的公司，为走向世界级制造企业而开展的C2I(Commitment to Continuous Improvement)“承诺不断改进”行动计划中的重要组成部分正是并行工程和产品与过程集成。他们在90年代初开始改变传统的设计和制造的单向顺序关系，建立了针对新产品开发的“集成产品与过程技术委员会”，以指导产品开发团队开展工作。结果不出几年，在所有3个重要新产品的开发过程中，都取得了质量提高、成本降低、专用部件减少和整体周期缩短6个月的明显成效。

3.2美国学术界发起召开集成设计技术与过程技术学术会议

这一系列会议的创始人H.A.Simon 教授曾说过：“在一个长时期内，美国制造业没有充分认识到设计与过程这两项技术必须结合起来：产品由研究开发和工程部门设计出来，没有要把它们做出来的制造工程师和管理者的积极参与，结果是产品经常不得不重新设计以满足制造的要求。”，“必须坚持设计应与过程集成。”可以认为，这正是倡议这些会议的主旨。

3.3美国产业研究机构组织产学研结合的制造系统集成研讨会

美国商贸系统唯一的政府科研机构——国家——标准和技术研究院(NIST)专门设有制造系统集成分部(Manufacturing Systems Integration Division,MSID)，近年来的一项主要工作是推进“设计规划与过程规划的集成”项目(Design/Process Planning Integration,DPPI)。该项目的目标是开发一项信息模型以实现在设计各阶段上设计规划与过程规划软件的相互沟通。所需沟通的信息包括各种数据和知识，如特殊材料的参数性能、可利用的部件目录、装配关系、公差、部件形状尺寸，以及设计基础和过程规范等。按照该计划的设想，将在不同层次上开展相应的集成，而首先进行的是在整体规划层次上的设计与过程的集成。

例如在此计划下于1998年11月由NIST组织召开了设计与制造集成专题研讨会，目的是交流在设计与制造集成(Design/Manufacturing Integration,DMI)领域的情况和信息，介绍典型事例，推进合作工程计划，以及明确系统层次上的各CAX之间的互操作性(Interoperability)及其标准。会上议题分3类：工业实践、软件开发和研究咨询。在工业方面的3个报告中，就有克莱斯勒公司和波音公司的2个专题报告，充分说明了该活动的层次和大企业的兴趣与意向。

3.4产品与过程集成成为学术界和产业界共同关心的热点，成为制造业培训和在职教育的重要内容

与有些新理论、新学说的情况不同，产品与过程集成的概念始终取得产业界的高度重视和认同。而学术界则在帮助产业部门提高关于系统集成的理论知识和实用方法方面作出了巨大的努力。例如美国马里兰大学就有一门为期两学期的培训课程：既为未来的制造工程师，也为在职企业界人士讲授“集成产品与过程开发”，其核心是一个称作IP2D2的课程计划,IP2D2的意思是“集成产品与过程设计与开发”(Integrated Product and Process Design and Development) 。其中的主要内容同时构成美国自然科学基金会资助的重要项目“为21世纪准备制造业工程师”的核心组成部分。

美国生产及库存控制学会(American Production and Inventory Control Society,APICS)则发起编写了一套以集成管理为主题的丛书，在丛书中一批专家对于产品与过程开发及其集成作出了十分详尽的易于为企业掌握的论述和讲授。学会并据此开展相应的“集成资源管理认证”(Certification in Integrative Resource Management,CIRM)，帮助有要求的企业进行系统学习，自我提高，评估改进，全面掌握当今制造企业面临的十分紧迫的重要问题——“集成”。