第一情报 ---装备制造业

美国国家制造业创新学院(二)——数字化制造和设计创新学院

供稿人:董瑞青  供稿时间:2013-7-4   关键字:美国  国家制造业创新学院  数控制造和设计  
2013年5月9日,美国政府宣布成立“数字化制造和设计创新学院”(Digital Manufacturing and Design Innovation Institute)。这是美国奥巴马政府国家制造业创新网络(NNMI)提出设立的第二家创新学院,紧随国家增材制造业创新学院(NAMMI)之后。数字化制造和设计创新(Digital Manufacturing and Design Innovation,简称DMDI)是美国国防部科研计划的重点领域,DMDI学院的成立将处理跨部门的生产技术,以满足国家安全和能源需求。DMDI学院将重点聚焦数字数据的生命周期在各种设计、工程、制造和维护系统之间的交换,并流经一个供应链网络。DMDI学院将由美国国防部长办公室(Office of the Secretary of Defense,简称OSD)监管,国防部现场活动机构(DoD Field Activities)协助管理。DMDI学院还将通过美国陆军航空和导弹研究发展和工程中心(AMRDEC)(位于阿拉巴马州红石兵工厂,该中心由美国陆军合约管理指挥部和红石兵工厂联合资助)的正式招标而成立,中标团队将在2013年下半年公布。
一、DMDI学院建立的必要性
Ø  对美国制造业的影响。美国制造业需要加速进入市场以获取全球竞争力优势。“数字线程”集成和驱动现代化设计、制造和产品的支持过程,以减少全生命周期时间,实现一次性成功,并且是唯一可行的方式来处理产品不断增加的复杂性[①]。或许人们对“未来工厂”的愿景有很多不同的认识(如先进制造企业,智能制造系统,敏捷制造,工业网络等),但是一个共同的理解就是,成功实现“未来工厂”的关键是网络化的数据驱动过程。该过程在任何层面(从车间到工厂及全球供应链)上把创新自动化、传感和控制与制造业劳动力紧密结合。实现这一目标,需要在很多方面开展竞争前合作(Pre-Competitive Collaboration)[②],数字化制造和设计创新(DMDI)学院将重点聚焦成熟的“数字线程”在制造业及机电组件和系统的设计上的广泛应用。由于复杂性、集成和成本水平的不断提高,这不仅涉及到美国国防部的重大利益,也涉及到最商业化的工业部门(包括航空航天、交通运输和能源等)。典型的例子包括动力传动系统,推进和结构部件,以及控制子系统和系统等。DMDI学院将提供试验场来链接有发展前景的信息技术、工具、标准、型号、传感器、控制、做法和技能,继而将这些功能过渡到工业基地并全面应用。该学院将组建跨学科的研究团队,整合IT和制造解决方案,并与多业界合作,推动数字技术在供应链中的应用。与全球其他竞争者相比,该学院将成为美国制造商的“知识枢纽”(Intellectual Hub),在更短的时间内,连接美国制造商灵活的生产经营、数字数据的安全、从传感器和数据分析的反馈控制质量、维护一个可信的产品销售和交付监管链。
 
Ø  对美国经济的影响。通过“数字线程”在设计、生产和销售等环节的智能和综合运用,DMDI学院将有效提升美国中小型制造企业的全球竞争力,从而消除任何来自低成本、低技能劳动力的竞争优势。数字化制造和设计(Digital Manufacturing and Design,简称DMD)适用于几乎所有的制造业部门,预计在整个制造业将减少大约10%的成本。如在美国商业航空领域,在今后15年内成本将节约300亿美元左右。美国国防部和其他经济部门有着相似的商业案例和强劲的投资回报机会。
 
Ø  国防部投资理由。美国国防部肩负着确保美国制造业演变成为更敏捷、连接、协同及高效产业的巨大责任。当前,美国制造业部门需要复杂的、高度集成的系统,以获得技术优势,但它缺乏公开的市场或机构来推动其降低成本或生产周期。DMDI学院将从实验室到原型工厂提供商业智能机电设计和制造能力,提高商业化的生产效率,减少最终成型设计前的失误。在一个开放的、高度协作的环境中,DMDI学院通过数字联网及同步流程和工具的深入应用,降低交货时间和生产成本,推动美国制造业发展模式的转变。因此,美国国防部对DMDI学院的资助金额将高达5000万美元,其他政府机构的出资额为2000万美元,从而使得DMDI学院联邦政府资助额达到7000万美元。
二、DMDI学院的基本目标
美国数字化制造和设计创新(DMDI)学院的目标是建立一个国家机构,专注于美国制造业领域的一些复杂问题,并制定相关解决方案,以抵消美国制造业企业采用这些新技术的风险,从而提高竞争力。由于全球竞争力是由哪些产品以极具竞争力的价格进入市场而驱动的,因此,DMDI学院的工作重点将是在制造业企业范围内利用“数字线程”,高度集成制造和设计复杂的产品,以降低生产成本和时间。减少时间和成本将产品推向市场的能力,是一种政府和行业常见的共同需要。此外,政府和行业还需要一种方法来降低采用新技术的风险。DMDI学院提供了一个“示范工厂”(Demonstration Facility),该工厂集合了美国利用智能机器开展生产实践的下一代示范企业(NexGen公司)。NexGen公司通过在工厂车间使用敏捷、灵活和可重构操作,开发先进适用产品。在整合信息技术、智能工厂流程(如计算机模拟,先进材料的使用)和复杂的分析等方面,美国数字化制造和设计创新(DMDI)学院可能是一个关键的差异化竞争优势。DMDI学院的构想是美国数字化制造和设计的创新引擎,以及NexGen示范企业产品设计、制造的“测试床”(Test-Bed)。
三、DMDI学院的聚焦重点
目前,数字化制造和设计创新(DMDI)学院聚焦的四个核心技术领域包括:先进制造企业(Advanced Manufacturing Enterprise)、智能机器(Intelligent Machines)、先进分析(Advanced Analysis)以及网络物理安全(Cyber-Physical Security)。上述技术领域展开如下。
 
Ø  先进制造企业(Advanced Manufacturing Enterprise)。首先,主要包括敏捷和强大的制造策略和综合能力,这可以大大降低生产复杂系统和零件的成本和时间。其次,还包括制定和应用建模和仿真工具,以更有效的生产复杂系统并更快的使产品进入市场。上述概念的提出应制定并实施产业信息化的基础设施,以支持:研究、设计、制造、测试等环节相关数据的快速、无失真(错误或遗漏)传输;通过使用以企业为基础的解决方案,连接产品、机器和供应链;部署工具和做法,在制造阶段的初期,尽量减少产品或过程验证(Process Qualification)通常所需的多个设计、原型和测试迭代;发展供应网络集成技术和管理实践,以增强供应网络中分散和相距较远组织的连通性和合作性,以及能显著缩短交货时间的最佳供应链绩效和风险管理。
 
Ø  智能机器(Intelligent Machines)。这主要涉及到智能传感器、控制、测量、分析、决策和沟通软件工具的不断发展和集成应用。智能机器通过使用设备的即插即用功能、制造知识的智能化应用(如设备自动对“大数据”进行分析和处理),实现“第一部分正确”(First Part Correct)的经营理念。一般而言,智能机器主要包括以下几部分内容:机器/系统/传感器健康和维护的诊断和预后评估工具,这主要是基于机器/系统/传感器等的质量信息定义,而不是基于反应性或预防性维护计划;制造端可以提供统计和定量信息的工艺验证工具。利用这个质量/组合信息,并结合实体模型和软件工具,反馈调整到生产过程中,可以消除不合格零部件;知识驱动型制造(Knowledge Driven Manufacturing),即计算机辅助制造在从设计到计划生产等不同制造活动之间提供智能联动(Intelligent Linkage)。通过知识驱动型制造,工程师可以选择合适的设备、工具、零部件生产的工艺序列等方面。最终的结果是一个基于用户验证的制造实践和数据的最佳工艺方案;制造业的互操作性(Manufacturing Interoperability)是突破监控、协调、整合及自动化分立器件制造过程的关键所在,这会使得工厂的操作更具灵活性和敏捷性;通过使用传感器反馈耦合到软件结合的制造规则和过程模型,过程监控和修正将使离散零部件的制造流程得到优化和控制。这些技术和工具的结合,将使得产品的制造流程更为灵活和敏捷。
 
Ø  先进分析(Advanced Analysis)。这主要是利用在高性能计算方面取得的进步,发展具备记忆功能(In Mind)的材料性能的物理模型。这包括开发和集成的智能设计工具,以减少过度设计、降低制造成本。一般而言,先进分析主要包括以下几方面的内容:多物理模型、软件模型及高性能计算的集成,使得物理过程和计算元素的协同设计具备可预测的系统行为;正确的制造设计技术——解决简化制造的需要。这可能包括组件的优化设计技术等;敏捷性和适应性组件——在自动化装配和制造等方面的技术进步,可以使得设计测试、拟产品和流程的重新设计迭代和错误恢复等更为方便快速;网络和物理元素的合作设计和合作架构——新的建模方法使得混合(连续+离散)、分层抽象及自动化证明生产正确的代码;其他航空航天和国防系统所需要的先进设计和分析能力,如系统工程权衡和设计方法,系统集成、组装及可预测产率和循环时间的测试模拟系统,企业级供应链设计与分析方法,生命周期模型(包括风险和不确定性的影响因素分析)等。
 
Ø  网络物理安全(Cyber-Physical Security)。通过提供一个安全、可信赖的基础设施来管理协同制造环境下的信息资产。除了用于封堵制造网络化业务系统和交易的已知漏洞外,未来工厂需要在智能机器、传感器和控制系统中发展网络物理系统(Cyber Physical System,简称CPS),以解决新的安全漏洞。新的网络物理系统可以动态地安装安全补丁,而无需关闭制造业务,在保持系统运行的同时降低制造业技术员所需要具备的管理员权限。一些原则和解决方案可能适用于所有CPS的应用,而另一些可能在特定生产领域和业务关系中具备唯一性。网络安全架构中内置的开放数据结构将需要新的标准和方法。
四、DMDI学院的组织模式
除了上述技术领域,美国国防部对数字化制造和设计创新学院的组织模式做了初步设计。一般而言,DMDI学院的组织模式主要包括以下几方面内容:高性能计算设计和分析中心;NexGen企业,作为行业的测试床和培训设施;网关(Gateway):一个合伙中介(Partnership Intermediary),作为建立在NexGen企业中的先进设计的切入点;虚拟工厂(Virtual Factory):是一个通过网关(Gateway)连接的网络,用来示范设施和设备(智能机器)。这些机器存在于政府和工业设施中,并通过开放协议访问;智能产品实验室(Smart Products Lab)。该实验室主要开发从零部件服务到设计和性能中所需的传感器和反馈算法。
 
参考资料:
www.manufacturing.gov.


[①] 线程(Thread),计算机科学术语,指运行中的程序的调度单位,有时也被称为轻量级进程(LWP),是程序执行流的最小单元。一个标准的线程由线程ID,当前指令指针(PC),寄存器集合和堆栈组成。
[②] 竞争前合作,顾名思义就是在开展竞争前,进行技术等方面的合作。实施竞争前合作的主要目的是组织研究力量,进行技术攻关,突破制约产业发展的共性技术。

万方数字化期刊中相关文章
射频集成电路产业的创新与市场——专访美国派更半导体亚太区总经理黄维旭博士
作者:丁立勇|
刊名:中国集成电路
年:2007
卷:16
期:3
摘要:
美国游艇市场与中国游艇产业
作者:王晓|
刊名:中国水运
年:2005
卷:
期:11
摘要:
美国游艇业的发展及其借鉴意义
作者:王晓|冯学钢|
刊名:上海造船
年:2005
卷:
期:02
摘要:美国是世界上游艇业最发达的国家.本文系统地分析了美国游艇业的发展历程、发展现状和动力机制,在结合中国游艇业现状的基础上,阐述了美国游艇业的发展对中国的借鉴意义.
美国新能源"航母法"启示下的中国能源政策之路
作者:林晶|
刊名:山西财经大学学报
年:2007
卷:29
期:z1
摘要:2005年美国的综合能源政策法出台,为美国在今后20年间的能源发展指明方向.本文分析了美国新能源法的亮点与争议,优点与不足.在审视中国与美国能源问题的相似及差异的背景情况下,比较研究了中国下一步能源立法中应当汲取或注意的经验.
美国对转基因食品安全的管制及立法
作者:许鹏元|
刊名:东方企业文化
年:2007
卷:
期:9
摘要:

注册成为正式用户,登陆后,获得更多阅读功能与服务!
转载本文需经本平台书面授权,并注明出处:上海情报服务平台www.istis.sh.cn
了解更多信息,请联系我们

§ 请为这篇文章打分(5分为最好)