一、引言
在21世紀對制造業(yè)影響最大的，在目前所能預見的將是網(wǎng)絡技術。隨著網(wǎng)絡的迅速發(fā)展，知識和信息資源的獲取將變得相對容易。這將給知識和信息資源相對稀缺的中國企業(yè)的發(fā)展帶來新的機遇。但如何從海量的、無序的知識和信息資源中找到人們所需要的知識和信息，這是當前企業(yè)所面臨的難題。
同時，21世紀的市場將具有更大的開放性和混沌性，中國企業(yè)將面臨更大的壓力和挑戰(zhàn)。企業(yè)及供應鏈的復雜度和非線性程度越來越大，其變化趨勢越來越難預測，控制難度也越來越大。
仿生設計和制造將是一種類似于生物系統(tǒng)的解決上述問題的方法和系統(tǒng)模式。在對產(chǎn)品設計和制造的知識和信息資源有序化的基礎上，采用自組織、自適應和分布化的設計和制造模式，使企業(yè)能及時、有效和充分地組合利用各種社會化資源，高速度、高質量和低成本地制造出用戶滿意的產(chǎn)品。
仿生設計和制造系統(tǒng)是基于由生物啟發(fā)得到的思想(例如自生長、自組織、分布化控制、自適應與自進化等)，所解決的是制造系統(tǒng)中大量的組合優(yōu)化和非線性優(yōu)化問題，所采用的是自治式分布結構模型和自組織、自適應控制模型。所有這一切將導致一種設計和制造的新概念和新方法。
仿生設計將支持產(chǎn)品從零件開始的自下而上的自組織設計過程。這些被稱為“基元(modelons)”的零件信息存放在“基元”庫中。設計者可根據(jù)要求從“基元”庫選取合適的基元。原則上，設計過程由基元自組織進行。各種基元將通過其仿生功能相互交換信息，從而決定各自的作用和相互間的聯(lián)系。
仿生制造系統(tǒng)要求每個生產(chǎn)環(huán)節(jié)有自發(fā)性、自律性和自相協(xié)調能力，出現(xiàn)問題就地解決，每個基層單位(也稱為“基元”)都有自主權和主動性，但又顧及整體，保證總體設計上相互協(xié)調一致。采用面向對象方法定義基元。基元上下級與平行級間通過消息板交換信息。消息板與專家系統(tǒng)中的黑板機制相類似，只是取消了集中的控制機構。一個基元啟動后，激活相關的基元，通過消息板對話，謀求問題的解決。這里強調的是自發(fā)驅動、自律決策、自由結合、可轉換性和柔性等。
仿生設計和仿生制造是高度相關的。其中設計基元和制造基元有著繼承和控制的關系。在設計階段，零件基元具有自確定的功能，同時也具有決定工藝過程、裝配過程等功能。這意味著當設計完成，工件送到工廠去后，它們將自己選擇加工和裝配機器，教機器所需的加工和裝配方法。
仿生設計和制造系統(tǒng)是21世紀的設計和制造系統(tǒng)。其概念最早由日本京都大學教授在1988年提出，后來并作為智能制造系統(tǒng)的一部分。美國科研局關于2020年制造挑戰(zhàn)的預測中的10項關鍵技術中包括了仿生制造。
二、成組技術是仿生設計和制造的基礎
1.成組技術幫助簡化產(chǎn)品信息和制造過程
制造的對象是產(chǎn)品，產(chǎn)品是由成千上萬個零件組成的，許多零件具有復雜的結構特征，需要經(jīng)過多道工序的加工。正是產(chǎn)品和零件特征的復雜性使機械制造系統(tǒng)有較大的復雜性，并使機械制造系統(tǒng)的自動化和計算機化有較大的難度。
隨著產(chǎn)品數(shù)的增加，系統(tǒng)的信息量急劇增加。又由于現(xiàn)代制造系統(tǒng)所面對的市場越來越大，涉及到用戶數(shù)和供應商數(shù)也越來越多，這又導致系統(tǒng)的信息量的急劇增加。
圖1以國內某工業(yè)汽輪機廠的具體數(shù)字例子描述了制造系統(tǒng)的復雜性的原因。
圖1 制造系統(tǒng)的復雜性的原因
仿生設計和制造的目的是要克服這種復雜化所帶來的困難。成組技術理論和方法，可以成為仿生設計和制造的基礎技術之一，因為成組技術可以幫助簡化產(chǎn)品信息和制造過程。
成組技術可以幫助建立產(chǎn)品設計和制造中的模塊，如產(chǎn)品結構基因、標準零件模塊、單元制造模塊等。這些模塊是從一大類相似的產(chǎn)品結構和制造過程中通過成組分析(即相似性分析)得到的。其作用是減少了產(chǎn)品和過程的不必要的多樣化，使知識和信息資源條理化。
2.成組技術可以幫助建立模塊化企業(yè)
隨著制造的全球化和用戶需求的多樣化，企業(yè)不可能將所有業(yè)務完全由自己承擔，不可能在各個力一面都是最優(yōu)。仿生設計和制造強調企業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的協(xié)同進化，通過采用全球采購、廣泛合作的戰(zhàn)略，使企業(yè)獲得最佳效益。因此，業(yè)務關系緊密、經(jīng)濟利益相連的企業(yè)生態(tài)系統(tǒng)將極大地增強合作者的競爭優(yōu)勢。如：世界汽車主要生產(chǎn)企業(yè)的零部件自制率已降到了30%，而70%以上都在全世界范圍內最佳采購、這樣既降低了成本，也提高了產(chǎn)品的質量。
同樣為了適應這一趨勢，成組技術可以幫助建立模塊化企業(yè)，進行產(chǎn)品的零部件專業(yè)化分工。由于不同的產(chǎn)品間有許多零部件是相同的，因此對某一產(chǎn)品來講是單件生產(chǎn)的，但對零部件制造廠家來講可能就是批量生產(chǎn)。其意義可由圖2表示。
圖2 成組技術在模塊化企業(yè)中的作用
仿生設計和制造系統(tǒng)中的組織模塊具有很大的自主性、獨立性，具有開放性和封閉性統(tǒng)一的特點。模塊內的控制主要是自主控制，有充分的自由度并與它們所組成的系統(tǒng)具有自相似性的特點，在系統(tǒng)自我認同的目的性的基礎上實現(xiàn)控制，把控制目的化為系統(tǒng)自身的目的性行為，如同生物的細胞。
3.成組技術能提供高質量的產(chǎn)品信息基因
由于競爭日趨激烈，市場環(huán)境多變，用戶需求個性化，越來越多的企業(yè)面臨這樣一種局而：用戶定制的新產(chǎn)品的設計任務急劇增加，修改定單的要求與日俱增，以至于傳統(tǒng)的設計方法幾乎不能滿足要求，需要改變設計方法。
仿生設計和制造中通過充分利用產(chǎn)品信息基因的遺傳和控制作用，較好地滿足企業(yè)的需求。如圖3所示，產(chǎn)品信息基因模型的基本特征是：
(1)產(chǎn)品信息的繼承性：產(chǎn)品信息基因能最充分地利用已經(jīng)過生產(chǎn)實踐考驗的產(chǎn)品信息。新產(chǎn)品的開發(fā)只需對其中很少一部分零部件進行重新設計和制造，而絕大部分零部件都將繼承以往產(chǎn)品的信息。這不僅大大縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，還提高了產(chǎn)品的一次成熟性。
(2)模塊化：產(chǎn)品信息基因是這樣一些模塊，它們能夠分別由不同的廠家進行設計和制造，并容易地被集成。
(3)自組織性：要求產(chǎn)品信息模型有較強的自組織性，能夠通過快速重構，得到一種全新的產(chǎn)品。
(4)對產(chǎn)品成長過程的控制：利用產(chǎn)品信息基因能夠容易地在產(chǎn)品生命周期的不同環(huán)節(jié)(從概念設計、結構設計、詳細設計到工藝設計和數(shù)控編程)間進行產(chǎn)品信息的轉換。
圖3 產(chǎn)品信息基因模型的基本特征
無疑，成組技術在建立產(chǎn)品信息基因模型方面能發(fā)揮關鍵性的作用，如利用成組技術可以發(fā)現(xiàn)和利用產(chǎn)品信息中的相似性，幫助產(chǎn)品信息的模塊化，可以幫助產(chǎn)品信息基因的檢索和重構等。
三、仿生設計和制造的思想對成組技術的發(fā)展有重要意義
1.拓展成組技術的內容和深度
由于機電一體化是制造系統(tǒng)的發(fā)展方向，成組技術應將模塊化的對象從機械擴展到機械、電子和信息的一體化系統(tǒng)，使這些模塊有很強的自適應和自組織能力。只有這樣才能使成組技術的效益得到充分發(fā)揮。這種機電一體化模塊具有自治、易集成等特點。
例如，如果用當前流行的方法來設計一個具有3個臂的新機器人，設在圖庫已存在一個具有2個臂的機器人，通過CAD系統(tǒng)對該兩臂機器人進行改型來增加一個臂，這時就要求每個臂的控制系統(tǒng)又要被重新設計。另一方面，若一個機器人具有與生物組件相似的、自治的和分布的控制功能的手臂時，當它在被重新設計為有3個、4個或更多個手臂時就不需要重新設計手臂的控制系統(tǒng)。
2.解決成組技術中的組合優(yōu)化問題
成組技術中許多問題是NP完全類問題，如：作業(yè)排序、成組分析等。
例如：根據(jù)排列組合原理將零件各種可能的排序統(tǒng)統(tǒng)列出，并且計算每種排序方案的指定的系統(tǒng)性能指標參數(shù)，然后從中選擇指定的某種或幾種性能指標組合最佳的排序方案作為“最優(yōu)解”，對于Flow-Shop問題，q=nm；對于置換型Flow-Shop問題，q=n!。例n=24，q=24!=7.3×1023。若一個作業(yè)排序方案的計算機產(chǎn)生時間為1μs，則7.23×1023μs=7.3×1017s=20×109年。其工作量之大十分驚人。
仿生優(yōu)化算法(如演化算法)對于解決這類組合優(yōu)化問題有較好的效果。
3.將成組技術從企業(yè)內擴展到企業(yè)間
我國的人力資源(專業(yè)人員資源)和物力資源按人口比例是十分有限的，當我國的經(jīng)濟發(fā)展到一定的規(guī)模情況下，要想繼續(xù)保持已經(jīng)達到的發(fā)展速度，就必須充分考慮到這種限制。我國制造企業(yè)在產(chǎn)品創(chuàng)新設計方面需要有一種充分利用現(xiàn)有資源的能力。
仿生設計和制造將采用產(chǎn)品信息基因和網(wǎng)絡支持產(chǎn)品創(chuàng)新設計和協(xié)同設計，使龐大的設計信息、市場信息和制造信息共享，使分散在全國各地的企業(yè)迅速知道某種產(chǎn)品誰在設計和生產(chǎn)，從而避免產(chǎn)品的重復開發(fā)設計。同樣成組技術的應用也應從企業(yè)內擴展到企業(yè)間，這樣可以取得更大的效果。
四、結論
仿生設計和制造將是一種通過學習生物系統(tǒng)而得到的先進的設計和制造系統(tǒng)模式。成組技術是仿生設計和制造的基礎技術之一，它有效地幫助簡化產(chǎn)品信息和制造過程，幫助建立高質量的模塊化產(chǎn)品結構和模塊化企業(yè)，實現(xiàn)產(chǎn)品設計和制造的知識和信息資源有序化，從而在此基礎上，可以采用自組織、自適應和分布化的設計和制造模式，使企業(yè)能及時、有效和充分地組合利用各種社會化資源，高速度、高質量和低成本地制造出用戶滿意的產(chǎn)品。另一方面，仿生設計和制造中的一些思想和方法將對成組技術的發(fā)展起重要作用，將拓展成組技術的內容和深度；解決成組技術中的組合優(yōu)化問題，如：成組分析、作業(yè)排序等；將成組技術從企業(yè)內擴展到企業(yè)間。
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