1.1 制造与制造系统

1.1.1 制造的概念

制造（manufacturing），从狭义上理解就是产品的机械工艺过程或机械加工过程，即传统制造。例如，朗文（Longman）词典将制造解释为“通过机器进行制作和生产，特别适应于大批量（to make or produce by machinery, esp.in large quantities）”。从广义上理解，制造是指产品的全生命周期过程，又称为大制造或现代制造，相比狭义制造和传统制造，其内涵在“范围”和“过程”两个方面已大大拓展。在范围方面，制造涉及的工业领域远非局限于机械制造，而是包括机械、电子、化工、轻工、食品、军工等国民经济的众多行业。在过程方面，广义的制造不是仅指具体的工艺过程，而是指包括市场分析、产品决策、产品设计、生产工艺过程、装配检验、计划控制、销售服务，以及产品报废和回收等产品全生命周期的设计、制造和管理。国际生产工程科学院（CIRP）1990年给出了制造的定义：“制造是一系列活动和工作的总称，包括制造工业中的产品设计、物料选择、生产计划、生产过程、质量保证、经营管理、市场销售和服务（Manufacturing is series of interrelated activities and operations involving the design, materials selection, planning, production, quality, assurance, management and marketing of the products of the manufacturing industries）。本文所指的制造主要指广义制造，也即现代制造。

1.1.2 制造系统的概念

由制造的概念可以看出，制造并不是简单的加工过程，而是一系列具有相互联系的活动的集合，如何保证这些活动相互协调、整体最优，则必须从系统的角度来研究制造。也就是说，从系统的角度而言，制造的功能是通过制造系统来实现的。

系统工程的有关理论指出，“系统”是指由相互联系、相互作用的若干要素构成的具有位的结构和特定功能的有机整体。这些要素可能是一些个体、元件或零件，也可能其本身就是一个系统（或称之为子系统），如运算器、控制器、存储器、输入/输出设备组成了计算机的硬件系统，而硬件系统又是计算机系统的一个子系统。一个系统是其构成要素的集合，这些要素相互联系、相互制约，系统内部各要素之间相对稳定的联系方式、组织秩序及失控关系的内在表现形式，就是系统的结构。系统有一定的功能，或者说系统要有一定的目的性，系统的功能是指系统与外部环境相互联系和相互作用中表现出来的性质、能力和功能。例如信息系统的功能是进行信息的收集、传递、储存、加工、维护和使用，辅助决策者进行决策，帮助企业实现目标。

关于制造系统的概念，许多知名学者和权威机构进行了较为深入的研究。

英国著名学者帕纳比（Parnaby,1989）给出的定义为：制造系统是工艺、机器系统、人、组织结构、信息流、控制系统和计算机的集成组合，其目的在于取得产品制造的经济性和产品性能的国际竞争性。

国际生产工程科学院（CIRP,1990）公布的定义是：制造系统是制造业中形成生产的有机整体，广义的制造系统包括设计、生产、配送和销售的一体化功能。

美国麻省理工学院教授Chryssolouris（1992）认为：制造系统是人、机器盒和装备以及物料信息流的一个组合体。

国际著名制造系统工程专家、日本东京大学人见胜人教授（1994）指出：制造系统可从3个方面来定义，即系统结构、系统转变（输入/输出）和系统运行。

华中科技大学李培根院士（1998）给出的制造系统定义为：制造系统是一个复杂的、可辨识的动态实体。它由为“把原材料变换成所需的有用产品”这一目的而进行不同特征活动的一些相互关联、相互依赖的子系统所组成。其整体活动能保持稳定性，并能适应市场变化等外界影响。

清华大学郑力教授（2010）认为有车间工厂观、产品生命周期观、供应链工厂观、硬系统/软系统观、流程观等五种不同的制造系统观。他提出，制造系统的研究目标已不再仅仅是传统意义上的技术行为，还包括经济、社会、人文等综合因素，因此，必须将制造系统置于经济、社会和人文环境中，作为复杂的社会化大系统来考虑。

综合上述的几种定义，本书认为，制造系统就是一个由制造技术、制造资源、制造信息以及对资源、信息进行加工处理的过程所组成的相互联系的有机整体，可以实现与外界进行物质、能量和信息交互，实现资源转换以满足社会等环境需求，完成包括市场分析、产品研发设计、工艺规划、制造实施、质量检验、物流配送、销售服务甚至报废回收等各个环节活动的制造全过程。制造过程涉及的硬件包括人员、生产设备、材料、能源和各种辅助装置，所涉及的软件包括制造理论、技术、工艺、方法、标准、规范等。

1.1.3 先进制造系统的概念演进

20世纪50年代以后，机械化、自动化技术的应用，标准化大批量生产方式的急速发展，使得全球制造业生产能力不断扩大，生产规模和效率迅速提高。进入20世纪70年代，工业发达国家制造业的供给能力已经大于市场需求。世界主要市场开始进入需求导向的时代。消费观念也出现了结构性变化，消费需求趋向多样化和个性化。20世纪90年代，制造业的跨国活动迅速发展，全球制造能力进一步扩张，出现全球性制造能力过剩的局面，产能与市场需求的矛盾日益突出，在新产品更新速度加快的同时，市场饱和周期也在缩短。同时随着货运、集装箱运输以及信息技术等的应用，产品的销售半径不断增大，制造商必须面对处于不同地域、不同文化和不同环境下的全球用户。进入21世纪，全球市场需求的多样化趋势更加明显，制造业面临全球性多样化、个性化需求的挑战。在用户差别越来越大的全球市场上，社会、经济、文化、艺术、技术等多种因素都影响需求的个性化选择趋向。用户出于对功能、安全、效率、环保、节能、舒适、休闲、新颖、个性、时尚、趣味、娱乐、价格等个性化考虑，要求制造商利用不同的材料，不同的成型工艺手段，不同的造型设计，不同的结构，不同的操作系统和时空配置，不同的表面处理和装饰，实现工业设计和制造的个性化，并实现产品的多样化，性能或功能的多样化，款式的多样化，规格的多样化，包装的多样化，价格层次的多样化。总之，随着世界经济全球化的迅猛发展，人类的制造活动在深度和广度上已经不断拓展，这些为制造系统的发展带来了更大的机遇，也使传统制造系统受到严峻的挑战，如图1-1所示。

其中较为突出的矛盾和问题主要有：

（1）制造系统已经不是封闭系统，而是一个社会化开放式大系统。制造已经不是传统意义上的制造行为，还包括社会、经济、人文等综合因素，因此，必须将制造系统置于社会、经济和人文环境中，成为一个复杂的开放式社会化大系统。

（2）制造系统必须体现数字化、柔性化、敏捷化、客户化、网络化与全球化等时代特征。数字化、柔性化与敏捷化是快速响应客户化需求的前提，这意味着先进制造系统必须具有动态易变性，能通过快速重组快速响应市场需求的变化。网络化和全球化是为了在全球资源范围内组织最优设计、生产和物流等活动，在快速响应市场和客户的同时降低成本。

（3）随着信息技术的迅猛发展，制造系统的信息量急剧增长。柔性敏捷化要求、全球分布式网络化结构、智能化水平提高、物联网等信息系统的应用，使制造过程所需接收和处理的各种信息正在呈爆炸性增长，海量制造信息特别是制造大数据的来临，成为制约制造系统效能的关键。

（4）制造系统和制造过程的管理复杂性越来越突出。这种复杂性一是由于制造系统本身的非线性，二是来源于分布式制造系统的自组织、自适应与多自主体的协同不够，三是来源于制造过程中的组织与调度、排样与决策中的“组合爆炸”问题。这就要求采用新的、有效的管理与组织来实现复杂制造系统的动态重组与运行控制，因此，制造系统的组织形态、运行模式和管理机制都需要有全方位的创新。

为此，传统的制造系统必须结合现代先进制造技术、现代工业工程技术、信息技术和系统技术，向现代先进制造系统发展。当前，研究和应用先进制造系统和管理，已经成为增强国家经济实力和国防实力，提高市场竞争力和可持续发展的迫切需要。

那到底什么是先进制造系统呢？美国学者于20世纪80年代末首次提出了“先进制造”（advanced manufacturing）的概念，理论界普遍认为，所谓的先进制造系统（advanced manufacturing system, AMS），就是基于先进制造技术，能够在时间（T, Time）、质量（Q, Quality）、成本（C, Cost）、服务（S, Service）、环境（E, Environment）等方面满足市场需求，获取系统投入的最大增值，同时具有良好社会效益的制造系统。而先进制造技术就是传统制造业不断吸收机械、电子、信息、材料、能源及现代管理等领域的先进成果，并将其综合应用于制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产，从而取得较理想的技术与经济效果的制造技术的总称。