创新求实 顶天立地――我国CIMS与清华人

 

清华大学自动化系教授  肖田元 

    1994年11月初，在国际上享有盛名的美国制造工程师协会（SME）主办的规模盛大的“工厂自动化国际学术会议”及AUTOFACT'94展览会在美国的工业城底特律举行。一年一度世界范围的CIMS应用与开发“大学领先奖”颁奖典礼将在这里进行。本届会议对中国科技界、制造业具有特别重要的意义，因为，来自中国清华大学国家CIMS工程中心的吴澄教授将登上这世人注目的领奖台，因为每年全世界通常只有一所大学能获此奖。这也是自1985年该奖设立以来发展中国家的大学第一次获此殊荣。

 

    这一非凡的成就来之不易。一九八六年三月国家决定设立高技术研究发展计划（命名为八六三计划）。清华大学自动化系的几位教师思考着这样的重大课题，制造业是国民经济的基础，如何用高技术提高我国制造业的竞争力，促进和带动国民经济跨越式发展？他们从在国内外的亲身实践中深刻地体会到，传统的制造与管理模式和技术手段极大地制约着我国制造业的发展，以信息化带动企业现代化，以系统论、信息论与控制论为基础并相互交叉融合的自动化技术，是制造业提高应变力的有力的工具。于是他们高瞻远瞩地提出了以计算机集成制造系统（CIMS，Computer Integrated Manufacturing System）为主题的建议书，被列为八六三计划的十五个主题之一。正如原国家科委主任，著名的系统科学与控制科学家宋健主任在国家科委召开的表彰863/CIMS工程中心获SME“大学领先奖”的大会上所说，“他们在863论证时，目光远大，抓住了世界科学技术的主流”。

 

    美国的约瑟夫.哈林顿博士虽然早在1973年就提出了计算机集成制造（CIM，Computer Integrated Manufacturing）概念，但直到八十年代初，美国为了从日本夺回制造业的领导地位，才开始大力推进CIM的研究与应用。清华人，敏锐地抓住了这一具有前瞻性的课题，与美国仅相差几年时间。1987年，国家科委组织的专家组经过广泛深入的调查与比较后，决定将CIMS主题的第一个重大项目――CIMS实验工程，建立在具有多学科人才优势的清华大学。张孝文校长亲自与当时科委朱丽兰副主任讨论CIMS实验工程的建设问题，并从自动化系、精密仪器系、机械系、计算机系、计算中心等单位抽调了100余名科研骨干，联合校外10个科研院所，从1987年2月开始进行CIMS实验工程的研究攻关。经过5年多的顽强拼搏，于1992年完成了实验工程的建设，建成了我国第一个CIMS实验研究基地，并于1993年2月通过了国家验收。在近两千个日日夜夜里，清华人打了一场艰苦卓绝的攻关战。由于可借鉴的资料极少，一切都从零开始，调研、方案设计、实验、讨论，很多师生不分昼夜地辛勤工作，终于攻克了一个又一个难关。他们欣慰地看到实验工程取得了46项技术成果，有30项通过了部、委级鉴定，其中有20项达到国际先进水平，其余均为国内领先或国内先进水平。该项目九三年被电子工业部和《中国电子报》评为全国电子信息类十大科技成果之一；九五年获国家科技进步二等奖。正如原国家科委朱丽兰副主任在国家科委召开的表彰863/CIMS工程中心获SME“大学领先奖”大会上所说，“CIMS中心之所以能取得今天的成绩，可以说是我们CIMS的技术人员在新的形势下继承和发扬‘两弹一星’优良传统的体现”。

 

    清华人并没有满足CIMS实验工程的成就，他们又将目光投向了新的目标。这就是如何用CIMS技术带动全国制造业的发展，提高企业在国际市场上的竞争力。经国家科委批准，从1993年开始在CIMS实验工程的基础上，在清华大学组建国家CIMS工程技术研究中心。1995年5月通过国家科委的验收，1995年12月被正式命名为“国家计算机集成制造系统（CIMS）工程技术研究中心”。中心的主要目标是：（1）努力成为CIMS关键技术的研究中心，引导我国CIMS的发展；（2）努力成为CIMS技术转移中心，根据企业的需要，进行CIMS技术的推广应用与技术成果产品化；（3）建立CIMS技术培训中心，面向全国开展CIMS技术的培训和教育。

 

    从1987年初CIMS实验工程启动，至今已有14个年头。国家CIMS工程技术研究中心的清华人在CIMS这一高技术领域刻苦拼搏、顽强奋斗，使CIMS技术在我国从无到有，发展到今日硕果累累，其研究攻关成果为我国CIMS技术的发展起到了重要的牵引与导向作用，所承担的企业CIMS工程实施成果成为我国企业信息化的典范，为企业培养的几千名CIMS技术人员遍布全国各地，成为我国CIMS领域的生力军。

 

 

    在80年代，CIMS是高技术，有人喻为“顶天”技术。创新是攻克“顶天”技术的前提。在CIMS的研究、攻关和实施中，清华人一方面深入地学习国外先进的技术、思想、方法，一方面勇于创新，从国情出发，探索一条适合中国企业特点的跨越发展之路。

 

    CIMS的核心是集成。80年代中，当时美国的普遍做法是重点放在车间层设备的信息集成上，以实现制造设备的互联和柔性自动化――无人化工厂为目标。以通用汽车公司为代表的美国制造业提出了耗资几十亿美元的MAP计划，后来的实践证明，即使在美国也未获得满意的结果。清华人结合中国的具体国情，勇于突破已有的技术模式，在1986年6的建议书中提出了自己对CIMS的定义：“把孤立的、局部的自动化技术和子系统，在新的管理模式与制造工艺的指导下，综合运用信息技术、自动化技术、通过计算机及其支持软件，灵活而有机地综合起来，构成一个完整的系统，对生产过程的物质流，管理过程的信息流进行有校的控制与管理，以适应新的竞争模式的市场对生产过程提出的高质量、高速度和高灵活性的要求”。在实践中，他们根据“中国企业经营管理生产中的瓶颈是产品开发能力，特别是新产品开发能力弱、管理粗放”的特点， 提出了“中国CIMS的重点放在加强产品设计和企业管理上，车间层只能是适度自动化”的技术路线，并根据这一思想，开展技术跟踪、攻关和应用。在工程实施过程中，采用TCP/IP协议，并用软件与MAP共存，进而实现企业信息集成与优化。结果表明，这些技术决策避免了大量投资而效果不大的弯路，保证了我国CIMS的健康发展，真正实现了CIMS技术在我国的跨越发展。

 

    从国际CIMS技术的发展来看，迄今为止企业信息化的发展经历了三个台阶：信息集成、过程集成、企业间集成。清华人始终以敏锐的洞察力，抓住当时最有生命力的新概念、新思想、新理论、新技术，引导着我国CIMS的发展。

    CIMS是应用性很强的高技术，如何启动？清华人首先提出建立实验系统，在技术上探索其可行性。以清华大学为主要承担单位建立的CIMS实验工程包括6个子系统：CAD/CAPP/CAM、递阶规划与控制、CIMS仿真、柔性制造、分布式数据管理、网络监控与管理，实现了系统的总体集成。也就是说，在计算机网络和分布式数据库的支持下，将不同类型的计算机和设备控制器按信息共享和柔性生产的目的集成起来，实现了在异构环境下从工程设计、生产调度与控制到加工制造的信息集成。实现信息集成的主要关键技术包括建模方法、异构网络环境的集成和集成平台等。

 

    CIMS是一个变结构、随机性强、开放的复杂系统，传统的建模方法无法满足其设计要求。在实验工程攻关过程中，清华人从众多的系统建模设计方法、规范和工具中，选择了IDEF系列方法进行研究、开发与应用，取得了良好的效果。目前，IDEF已成为我国全部企业实施CIMS的基本规范。通过培训，有关技术已扩展至全国许多院校、研究所和企业。

 

    CIMS集成的对象既包括各类硬件，也包括各类软件，既要实现信息流的集成，还要实现物质流、价值流的集成，更要实现人、技术、资源的集成。这决定了CIMS要实现各类“自动化孤岛”在异构环境下的集成。在实验工程的网络上TCP/IP、MAP/TOP、MMS、3964、简化3964等多种网络协议共存，同时从TCP/IP过度到OSI的七层标准协议的软件工具使得网络环境符合国际标准。上述异构网络环境下信息集成的基本方法和技术，已经广泛应用于目前的几十家应用企业。小批量、多品种的生产方式是企业适应日益激烈的国际竞争环境的技术途径，因此实验工程开展了的相关技术的攻关，实现了在网络和异构分布数据库环境下，CAD、CAPP、CAM、生产计划、双日滚动计划、车间实时调度、刀具管理、装卡工作站、物流系统的集成，设计、管理及制造的集成。

 

    实验工程验收时，取得了46项技术成果，有30项通过了部、委级鉴定，其中有20项达到国际先进水平，其余均为国内领先或国内先进水平。

 

    为缩短CIMS工程的开发周期，并提高系统的性能，在完成实验工程项目的基础上，CIMS中心提出并承担了863/CIMS重大应用技术攻关项目“制造业CIMS应用集成平台”，为企业提供一个实现信息集成和应用集成的软件框架环境。该项目于1998年完成，该平台集成了一批863/CIMS软件产品和企业常用的应用软件，提供应用开发工具原型，CAx、车间管理和控制、MIS集成接口，全局共享信息图形化的定义和维护工具，集成平台运行管理与应用协调系统，以及企业CIMS原型系统，验收专家组认为具有当前国际先进水平。

    并行工程作为CIMS的第二个技术台阶，从1995年开始实施，即从实验工程着重“信息集成”发展到设计过程的功能集成优化――“过程集成”。

 

    并行工程是集成地、并行地设计产品及相关过程的系统化方法。它通过组成多学科产品开发队伍、改进产品开发流程、利用各种计算机辅助工具等手段，使得在产品开发的早期阶段就能及早考虑下游的各种因素，达到缩短产品开发周期、提高产品质量、降低成本，从而增强企业竞争能力的目标。

 

    CIMS实验工程一结束，清华人提出了第二个台阶目标，他们从众多的新概念中，选择了“并行工程”，从93年即开始了预研，95年得到863/CIMS主题的批准，作为CIMS重大攻关项目。清华人承担了首先攀登第二个台阶的任务――863/CIMS并行工程攻关项目。该项目目标是：①在某航天产品复杂结构件的开发中综合利用并行工程技术，缩短产品开发周期30%至40%，降低废品率50%；②解决一批关键技术，逐步形成自主版权的软件系统；③为其它企业实施并行工程提供参考模式，培养人才队伍。该项目于1997年12月进行验收与鉴定，鉴定会认为具有当前国际先进水平，获国家教育部科技进步二等奖。目前，正结合航空、航天、民品（如汽车、摩托车、造船、家电等）行业进行示范应用。

    90年代，信息技术突飞猛进，信息技术与传统工业的结合，极大地带动了传统产业的发展，一度被认为是“夕阳工业”的制造业焕发出活力。各种采用信息技术改造传统工业的新思想、新概念、新方法、新理论应运而生，“精益生产”、“智能制造”、“JIT”、“ERP”、 “供需链管理”、“B2B”、“B2C”、“经营过程重构（BPR）”、“敏捷制造”、“虚拟制造”、“下一代制造”等等。在此期间，曾经认为“CIMS是遥远的将来”的一些人，突然转而认为，“CIMS已经过时了”。 在CIMS领域奋斗了十来年的清华人，既为信息技术在传统工业的应用和迅速发展而兴奋，同时，基于对CIMS内涵的深刻理解和十来年CIMS实践的经验，认识到CIMS在新时代将有新的内涵。我国CIMS不仅重视信息集成，而且强调系统优化，他们继续高举CIMS的大旗，将计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing System）演绎并发展为现代集成制造系统（Contemporary Integrated Manufacturing System）。

 

    并行工程攻关研究的同时，国家CIMS中心的清华人密切关注着国际互联网络的迅速发展，探索在国际互联网络环境下CIMS技术发展新方向。他们从众多的概念中，确定了“敏捷制造”与“虚拟制造”作为主攻方向，得到863/CIMS主题的认同。

 

     “敏捷制造”被认为是21世纪企业的优化模式，以往的研究大多从“企业动态联盟”（Virtual Enterprise）即企业组织模式角度，清华人则率先从产品创新和资源优化的角度进行敏捷制造的研究，包括：基于因特网的的异地设计协同、制造工艺数据与知识等制造资源共享，基于因特网的数据库异地操作技术，网络数据库的优化组织、数据传递与表达技术，建立技术使能的敏捷制造原型系统。通过本项目的研究，探索改造我国企业传统制造技术成为敏捷型技术道路，引导我国CIMS技术的进一步发展。目前，以清华大学国家CIMS工程技术研究中心为总站点的基于因特网的全国CIMSNET已经建立，连接了目前国内主要的CIMS研究单位，包括大学、研究所、开发单位，还包括30多个CIMS示范应用企业。这是一个跨行业、跨地区的虚拟网络，建立在INTERNET、CHINANET、CERNET、CSTNET上，上与国家科技部相连，下与CIMS应用企业相连，拥有统一的域名、统一的风格，以及网内的自动导航等功能。该网络目前以实现网内信息发布、信息共享为主要内容，随着国家信息基础设施的发展，下一步将基于该网络进行敏捷化制造。

 

    虚拟制造被喻为下一代制造技术，采用计算机仿真与虚拟现实技术，在计算机上群组协同工作，实现产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验，以及企业各级过程的管理与控制等产品制造的本质过程，通过计算机虚拟模型来模拟和预估产品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的问题，提高人们的预测和决策水平，使得制造技术走出主要依赖于经验的狭小天地，发展到了全方位预报的新阶段。清华人首先在863/CIMS主题提出立项建议，获得批准，从96年起开始了预研，并率先在211工程中立项，建立一个适应于制造全过程需要的虚拟制造技术研究环境。同时，结合产品结构调整的需要，与经纬纺机股份有限公司合作，采用虚拟制造技术，开发出了具有自主知识产权的产品剑杆织机，将传统上“十年磨一剑”缩短到“两年磨一剑”，为纺织企业产品结构调整作出了重要贡献，该成果获得2000年国家科技进步二等奖。

 

    在CIMS发展的第三个台阶，863/CIMS主题确立了六个重大攻关项目，在全国发布，采用竞争机制确定承担单位。作为第一承担单位，清华人夺得了五个，包括“基于CIMSNET的网络化敏捷工程”，“面向创新设计的虚拟产品开发”，“面向CIMS实施的企业建模与分析系统”，“基于可重构技术支持动态联盟的敏捷供需链及其相关技术攻关”，“流程工业CIMS企业管理模式和集成技术”。

十余年来，是清华人引导着CIMS这一“顶天”领域的发展，是他们准确而适时地提出研究与攻关的方向，率先攀登信息集成、过程集成、企业间集成这三个台阶的每一梯，并取得丰硕成果，使我国CIMS一直保持着国际先进水平，这一切，首先应归功于他们的创新精神。

 

 

    在80年代中期，“CIMS”这个概念对大多数人来说还是一个十分陌生的洋名词，有人甚至以为是“席梦思”。很多人认为，对中国企业来说，CIMS是“遥远的将来”。清华人按照邓小平同志提出的“发展高技术，实现产业化”的指示，提出既要研究攻关“顶天”，又要将适时地将研究攻关成果转移到企业中去――“立地”。 清华人的特点是求实，既敢想敢做，又脚踏实地。他们认识到只有让CIMS高技术之花，在中国企业结出丰硕之果，用信息化带动企业现代化，才是将高技术与制造业的发展相结合的根本途径，是发展CIMS技术的本意，是高技术推动国民经济发展的必由之路。

 

    还在CIMS实验工程的研究攻关如火如荼的时候，CIMS中心就主动走出学校，寻找有远见的企业家合作，探索用CIMS提高企业竞争能力和创新能力的道路。1989年，CIMS中心作为成都飞机工业公司CIMS工程的技术依托单位，与企业一道，拉开了在中国企业实施CIMS的序幕。他们坚持“企业说好才是真好”的原则，以企业获得效益为出发点，用系统的观点和集成的观点，对企业进行CIMS的总体规划；从企业的需求出发，分析制约企业效益和发展的瓶颈，抓住重点，用“集成”和“优化”解决提高企业竞争力这一综合性难题。10年来，CIMS中心一方面承担着繁重的863/CIMS重大攻关项目，同时还完成了30余个企业的CIMS工程，覆盖全国10几个省市（见图3），CIMS工程中心成为名副其实的CIMS高技术转移中心。正如宋健主任在国家科委召开的表彰863/CIMS工程中心获SME“大学领先奖”大会上所说，“我们有这样一个火种，有这样一个根据地，有这样一个中心，有这样一批科学家和工程师在努力推动CIMS事业的发展，我们的CIMS事业就有希望。”

 

    在全国同行中，国家CIMS中心的清华人承接企业CIMS应用工程的数目最多，覆盖面最广，质量最好。这一点，已得到CIMS主题专家的认同，国内企业的认同，也得到由两院院士和专家组成的评估组的认同，在国内享有盛誉。由CIMS中心负责实施的CIMS的企业大都取得了显著的经济效益和社会效益，其中较典型的项目有：

    成都飞机工业公司CIMS从1989年开始进行可行性论证，1991年初正式立项，91－94年为第一期，94－96为第二期，97－99为第三期。清华大学从1989年开始作为技术依托单位承担该工程，委派了总师，参加了可行性论证，总体设计，以及一、二、三期的实施。该工程的实施为公司带来的效益显著，如3C集成，使产品工艺计划编制周期从75天下降到15天，大大提高了飞机复杂件加工质量，如10#工程的框架结构件的加工一次成功，缩短了加工时间；麦道机头生产周期从12个月缩短为6个月，某型号飞机批生产周期从24个月缩短为18个月，复杂结构件设计、加工时间缩短到原来的1/6，原材料库存减少10%，获得1亿多美元的波音757尾段订单，带动了行业（西飞、沈飞、上飞等）实施CIMS。该工程获1995年度国家科技进步二等奖，成飞被国家科委命名为“1995年度CIMS应用领先企业”

    CIMS中心作为华宝CIMS工程的技术依托单位，主要承担了总体技术和物流管理与监控系统，并负责项目具体实施。华宝空调器厂CIMS是一个用于以装配为主的存储型生产企业的CIMS。根据装配型消费电器生产的特点，建立起基于物料信息集成的集成体系，具有MRP与JIT结合的计划管理模式和二级自主式管理机制的高可靠性和可扩展性。

 

    华宝CIMS工程的实施，实现了总装配线均衡、稳定地生产，保持每45秒一台柜机的生产率；库存压缩,减少占用流动资金8000万元,下降率为12.9%；全员劳动生产率提高了77.19%，96年1-11月份为202万元/人；百元销售额占用流动资金下降51.4%；上缴税金比95同期增长20.88%，为817万元。该工程获1998年度国家科技进步二等奖。

    经纬纺机股份有限公司的前身是国营经纬纺织机械厂，是我国大型纺机企业，是一个典型的大而全的制造型企业。CIMS中心作为技术依托单位，根据经纬纺机股份有限公司发展的需求，进行JW－CIMS的实施，全面实现计算机辅助设计，实现基于STEP的CAD/CAPP/CAM的集成；完善已运行的MIS系统；提高加工制造自动化水平；拓宽CAQ的应用领域，推动全面质量管理走向深入；在此基础上实现CIMS的四大分系统的集成。该工程第一期于1996年底完成，中心承担了11个项目中的7个。

 

     经纬CIMS的实施，在国内同行大多数企业普遍滑坡，出现大面积亏损的情况下，经纬却是摆脱了长期以来的“不断进步，相对落后”的局面，逐步走上了快速发展的道路，生产周期缩短30％；在制品和库存压缩50％；96年销售额为8亿人民币，利税1.3亿元，利润9000万元。公司综合指标、利税指标、产值指标和出口创汇均居同行业之首，为1996年在香港发行H股，在深圳发行A股，并获得巨大成功作出了重要贡献。该工程获1996年度纺织总会国家科技进步一等奖，1997年度国家教委科技进步一等奖，经纬股份公司被国家科委命名为“1996年度CIMS应用领先企业”。

 

     1997年，CIMS中心继续作为经纬公司CIMS二期工程的技术依托单位，用虚拟产品开发技术支持，仅用了1年半时间，首次成功地开发出了我国具有自主知识产权的剑杆织机，实现了从传统的“十年磨一剑”到“两年磨一剑”跨越式发展，形成了新的经济增长点，1999年销售收入达2亿元，为企业产品结构调整作出了重要贡献。经纬两期CIMS工程所取得的成果获得2000年度国家科技进步二等奖。

 

 

     十余年的艰苦奋斗，清华人在CIMS领域结出了丰硕之果。他们除了获得美国“SME大学领先奖”以外，还获得了国内科技进步奖16项，其中4项国家科技进步二等奖，4项部级科技进步一等奖，3项部级科技进步二等奖；清华实施的CIMS应用企业有3个获得国家科技部颁发的“CIMS应用领先企业”称号。

 

     现代系统论指出：时间是不可逆的，空间是无穷大的。CIMS同其它科学技术一样将在无限的时空中发展变化，国家CIMS工程技术研究中心的清华人，将秉承“自强不息，厚德载物”的优良传统，本着创新求实的精神，在新世纪为推动CIMS技术的发展贡献力量。