快速响应工程和快速产品设计策略
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前言：快速响应工程的时代背景
工业革命以来，世界各国陆续走上由市场导向的经济发展道路。到了２０世纪末，世界经济最大的变化是全球买方市场的形成和产品更新换代速度的日益加快。纵观各处，由四通八达的铁路、公路、远洋巨轮、喷气飞机、通讯卫星和“信息高速公路”组成的网络已将全球紧密地联成一个整体，庞大的人流、物流、信息流和资金流无时无刻不在沿着各自的管道奔腾流淌，使世界成为一个喧嚣的大市场。同时，由于生产力的高度发展，使得社会的总供给能力远大于需求量，因而普遍形成买方市场，所有企业都必须经受这个全球买方市场的挑战。产品是企业的生命线，是企业在市场竞争中取胜的关键。市场竞争的加剧，加上现代科技的日新月异，使得产品的更新换代不断加快，市场寿命周期不断缩短。据估计，近３０年来出现的新技术、新产品，已经远远超过了过去两千年的总和。根据各个时期一些代表性产品更新速度与变化情况分析，一种新产品从构思、设计、试制到商业性投产，在１９世纪大约要经历７０年的时间，在２０世纪两次世界大战之间则缩短为４０年，战后至６０年代更缩短为２０年，到了７０年代以后又进一步缩短为５～１０年，而到现在竟然只需２～３年甚至更短的时间。可见现代社会的生产发展和科技进步已经加快到何等的高度。这种态势必须导致市场竞争焦点的快速转移。在以快交货（Ｔ）、高质量（Ｑ）、低成本（Ｃ）和重环保（Ｅ）去争取市场份额的市场竞争中，缩短交货期，乃至快速响应市场需求，已经成为竞争的第一要素。
事实上，制造业的生产方式和市场竞争焦点会随着社会生产力的发展水平和科学技术的进步状况而不断地改变。在工业化初期，由于生产力水平还比较低下，市场上产品短缺，企业生产什么顾客就买什么，“皇帝女儿不愁嫁”，所以企业就拼命扩大产量、降低成本，因而形成以“规模效益第一”为特点的少品种、大批量生产方式。当产品产量达到一定水平以后，企业之间的竞争逐步从“价廉、物美”转变为“物美、价廉”，使“质量第一”成为市场竞争的焦点。到了９０年代，由于社会生产力高度发达，市场上产品日趋丰富，消费者的选择余地日益扩大，所以对产品就提出越来越高的要求，使用户需求呈现出差异而多变，这迫使企业跟随用户，采用多品种、小批量的生产方式，按定单组织生产。同时，面对瞬息万变的市场环境，更要求企业具有高度的灵敏性，能抓住稍纵即逝的机遇，不断地迅速开发新产品，以吸引顾客，变被动适应用户为主动引导市场，这样才能保证企业在竞争中立于不败之地。可见，在这种时代背景下，市场竞争的焦点就转移到速度上来，即凡能“领先一步”，快速提供更高性能燉价格比产品的企业，将具有更强的综合竞争力。因此，我们提倡实施“快速响应工程”，以适应市场环境的变化和用户需求的转移。
１ 快速响应工程的含义
实施“快速响应工程”可以使企业具备从捕捉产品信息到及时投放市场的全面快速响应能力，主要内容包括以下几个模块：
（１）建立快速捕捉市场动态需求信息的决策机制；
（２）实现产品的快速设计；
（３）追求新产品的快速试制定型；
（４）推行快速响应制造的生产体系。
为了提高快速响应能力，企业首先应能迅速捕捉复杂多变的市场动态信息，并及时作出正确的预测和决策，以决定新产品的功能特征和上市时间。明确了新产品的开发项目以后，实现快速设计就成为重要的一环。工程设计的重要性是不言而喻的。据统计，工程设计的费用虽然只占产品最终成本的一小部分（不到１０％），但往往决定了它的８０％以上的制造成本，而且还决定性地影响产品的性能和交货期。现代机械产品由于用户的要求越来越高，产品结构日益复杂，科技含量愈来愈高，所以使得产品的开发周期日趋延长。如何解决好产品市场寿命缩短和新
产品开发周期延长的尖锐矛盾，已经成为决定企业成败兴衰的生死攸关问题。产品开发周期包括设计、试制、试验和修改等一系列环节，除了设计以外的后几个环节可以统称为试制定型阶段。为了实现快速设计，人们提出了ＣＥ（并行工程）、ＤＦＸ（面向制造、装配、检验、质量、服务等的设计）、ＣＳＣＷ（计算机协同工作支持环境）和功能分解组合的设计思想，这将引起对现代设计方法和ＣＡＤ发展的新探索。在此基础上，我们提出用变型设计实现快速响应的策略。这种设计策略以关系型产品模型和与之相适应的产品信息管理系统以及基于实例推理的智能技术为主要手段，特别强调对企业产品信息的标准化、规范化重组，通过对企业现有成熟产品的变型再设计，使企业的宝贵信息资源得到尽可能多的重用，从而达到以快交货、高质量、低成本和重环保的快速响应竞争策略去赢得市场的目的。
加快产品的试制、试验和定型，以快速形成生产力，需要尽量利用制造自动化的各种新技术，如ＦＭＳ、ＲＰ（ＲａｐｉｄＰｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ，快速成形）和ＶＭ（ＶｉｒｔｕａｌＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，虚拟制造）。快速成型堪称廿年来制造技术最重大的进展之一，其特点是能以最快的速度将ＣＡＤ模型转换为产品原型或直接制造零件，从而使产品开发可以进行快速测试、评价和改进，以完成设计定型，或快速形成精密铸件和模具等的批量生产能力。虚拟制造是先进制造技术的先导，它充分利用计算机和信息技术的最新成果，通过计算机仿真和多媒体技术全面模拟现实制造系统中的物流、信息流、能量流和资金流，可以做到在产品制出之前，就能由虚拟环境形成虚样品（ＳｏｆｔＰｒｏｔｏｔｙｐｅ），以替代传统的实样品（ＨａｒｄＰｒｏｔｏｔｙｐｅ），进行试验和评价，从而大大缩短产品的开发周期。
推行产品的快速响应制造，必然导致企业从组织形式到技术路线的一系列变革。首先，在企业内部，应改变传统的以注重规模和成本为基础建立起来的生产管理系统和组织形式，按照快速响应制造的战略思想，探索一套全新的组织生产方式，例如将生产部门从以功能为基础的工序组合改变为以产品为对象的加工单元，并且尽量采用各种先进制造技术手段，等等。其次，从面向全局的视野出发，以产品为纽带，以效益为中心，不分企业内外、地域差异，实行动态联盟，有效地组织产品的设计、制造和营销。企业在确定产品目标后，可以只先进行总体设计，即功能设计、方案设计和经济分析，然后通过公共信息网络，寻找最佳的零部件供应商和制造商，进行跨地区、跨行业的合作，实行生产资源的优化组合，并由承包商按照快速响应的原则进行具体设计，即结构设计、详细设计和工艺设计，组织产品的快速响应制造，以保证产品及时上市，经由遍布各地的营销网络迅速抢占市场。
由此可知，实施快速响应工程，至少有如下优点：及时交货，争先抢占市场，因缩短制造时间和消除各种浪费而降低制造成本，因加快产品更新换代而向市场大量提供质量更高、价格更低的高性能产品。其结果就大大提高了企业的综合竞争力和持续发展的生命力。
２ 实现快速响应的关键：有效利用产品信息资源
企业实现快速响应市场的关键，是有效利用各种信息资源。人类自有文明以来，任何人工制品（即产品）和产品的制造系统均由物质、能量和信息三大要素组成。人类的文明绵延了悠久的历史，人类社会的生产活动也不断地发展进步。在不同的生产力发展阶段，这三要素分别扮演着不同的角色。在漫长的原始游牧社会和农业经济时代，产品和制造产品的材料（物质）占据统治地位；进入工业经济时代，动力（能量）成为关键的要素，对现代文明的发展发挥了重要作用；到了本世纪下半叶，随着以信息技术为中心的科技革命浪潮汹涌澎湃，知识经济悄然来临，这时，第三大要素——信息就后来居上，逐渐成为主宰社会生活和生产活动的决定性因素。那么，如何估计产品中的信息含量呢？可以从三个层次加以分析。首先，在许多现代化产品（尤其是信息产品和机电一体化产品）中，凝集着信息（知识）的软件已经成为产品的重要组成部分，产品的智能化程度越高，这部分的比重就越大。其次，在产品的制造过程中，也直接需要使用（注入？消耗？）各种信息，这包括产品信息和制造信息两大类。所谓产品信息，指的是为了正确设计产品和确切描述产品特征所需的信息，包括产品的几何形状、尺寸、精度、材质，以及各种规范和技术知识等；所谓制造信息，指的是为了进行某一步制造过程，以获得能满足预定要求的产品所需注入的各种信息，包括工艺信息和管理信息。第三个层次包含产品中的间接信息。这指的是包含在产品硬件部分的材料（以及标准与外购零部件）和制造过程所需的能源中的信息。例如一块钢材，作为另一制造过程的产品，从矿石到轧制成材，也需要使用（注入？消耗？）一定的产品信息和制造信息。依此类推，归根结底，人类一切制品都由自然物（如矿藏、野生动植物、阳光、空气和水等）通过注入各种信息加上一定的体力而制成的。由此可见，随着科技水平和深加工层次的提高，产品的信息含量也越高。所谓高科技产品，就是高信息含量的产品。产品的信息含量越高，信息对产品的交货期、质量和成本的影响也就越大。毫无疑问，高信息产品就意味着是高性能、高质量和高价值的产品。可是，信息含量高并不能自动缩短交货期，弄得不好，反而可能延误时间。那么，如何有效利用产品的信息资源，以实现快速响应呢？
试观信息及其载体（例如图纸、图像、文件、资料、软盘等），同以实物呈现的硬件（材料、能源）相比，具有明显的“虚”的特点，即能量级小、存储性好（体积小、重量轻）、渗透力强（传播迅速）、处理方便（加工容易）等等。此外，信息还有一个非常重要的优点，就是共享性极佳。一项新的信息（如软件、知识、经验、资料），虽然需要投入相当的人力、资金，经历一定的时间进行开发、制作，但是一旦这项信息业经造出（获得），它的复制（学习）却是极其便捷的，所以大量用户（几乎是无限）立即（几乎是瞬间）可以共享。根据这些特点，利用现代计算机和通信技术迅猛发展所提供的对信息的高度储存、传播和加工能力，人们主要采取两项策略，以达到使企业能快速响应市场的目的。这两项一曰重用产品信息资源，二曰虚拟制造过程。先讲对产品信息资源的重复使用。企业在长期的生产活动中，积累和蕴藏了大量的极其宝贵的产品信息（图纸、文件、数据、经验、标准、规范等），对这些信息进行充分挖掘和科学重组，使之资源化，成为有用和便于重复利用的产品信息资源，再将这些信息资源存储在庞大的数据仓库之中，加上在先期开发中所积累的信息资源，就足以有效支持对市场的快速响应。其要点是在新产品的设计、研制和制造过程中，尽量重用己有的信息资源（尤其是机电产品中的成熟零部件），对于那些确实必须新作的产品信息（如新技术、新结构、新零部件），也尽量通过先期的开发活动（依靠实行业务过程重组）加以创建。这样，自然能够实现快速响应，尤其是快速设计。其次，关于虚拟制造过程，它指的是将有关产品制造过程的信息从实际制造过程中抽取（剥离）出来，依靠计算机的高速大规模信息处理能力，实行由计算机试验（仿真）、虚拟制造和智能优化组成的一个相对独立的软过程，以代替传统的样机（模型）制作、实物试验、反复修正的硬过程，达到在产品正式投产之前，就能通过在计算机上的试验、改进和优化，迅速完成对产品的性能预测和设计定型。显然，虚拟制造过程可以比实过程做得更快捷、更灵便、更省钱。例如，计算机仿真无疑比实物试验简便得多。这是利用信息技术实现快速响应的一个范例，尤其对于产品设计定型。
３ 用变型设计实现快速响应的策略
实施快速响应工程，设计是重要的一环。对企业生产活动的大量调查表明，产品设计制约着包括技术准备（试制、工艺、工装、采购）在内的产品生产周期。为了实现快速响应市场需求，建议采用变型设计的策略，即通过对成熟产品的变型设计，以充分利用企业的产品信息资源，最大限度地控制新零件的种类和数量，并在加快整个生产周期的同时，有效地控制成本和保证质量。这个设计策略的要点，可以概括为：①重组企业工作流程，将开拓未来市场的“慢动作”创新产品开发与面对当前需求的“快节奏”变型产品设计区别开来，用变型设计快速响应市场需求；②重组企业产品信息，使企业在设计开发领域中积累的丰富技术资料，转变为有用和好用的宝贵信息资源，以期尽量利用已有的成熟零部件设计新产品，即用尽量少的新设计零部件，组成尽可能多的变型系列新产品；③建立集成的关系型产品模型和跨功能的并行工作环境，并采用基于实例推理的智能技术，以期通过产品结构的重组，来支持快速变型设计。简而言之，就是业务过程重组、信息资源重组和产品结构重组。以下进一步阐述这项策略的核心思想及其若干关键技术。
3．1 变型设计在快速响应生产活动中的作用
机械产品的设计，通常可分为新颖性燉创新设计和适应性燉变型设计两大类。前者基于全新的工作原理，采用基本新颖的结构方案，设计出创新的机械产品；后者基于已有的工作原理，采用基本不变的结构方案，只按功能需求对具体结构进行局部调整，以产生适应性的变型产品。从企业的产品信息资源在设计活动中的可重用程度考察，创新设计涉及的可重用信息资源较少，它的实现过程需要耗用可观的企业资源（人力、物力、财力和时间等），以验证与完善产品结构；变型设计在原有产品的基础上，按市场需求进行结构重组，它的实现过程可以最大限度地重用企业已有的成熟产品资源，具有很强的灵活性和适应性。
3．2 产品信息资源重组的意义
在机械制造企业中，创新设计毕竟稀少，大量的总是变型设计。事实上，许多设计人员的确也是经常使用变型设计去响应用户需求，但是这种传统的变型设计方法并不能自动保证产品的快速交货、高质量和低成本，有时甚至于适得其反。主要表现在企业生产零件的多样性和缺乏可重用性，并导致新零件数目的失控，许多新的零件被源源不断地设计出来，紧接而来的就需要动用过多的人力、物力和时间去支持后续的工艺、工装、试制和试验等一系列技术准备过程。引起这种失控现象的原因，在于企业产品信息资源的无序状态和设计者的随意性。要使无序的企业产品数据变成有效支持快速变型设计的宝贵信息资源，就需要对它们进行规范化、标准化重组。
3．3 按关系型产品模型进行信息重组和变型设计
重用企业产品信息资源，进行快速变型设计，应基于产品资源的合理定义与表达，这需要先进的产品建模理论和方法的指导。本文提出的关系型产品模型堪当此任。产品模型是一种数字化的信息模型，它以一定的数据抽象，定义和表达在产品生命周期中有关产品的信息，包括数据、结构和关系等。产品信息可分显式和隐式两类。显式信息用图纸、文档等描述产品设计最终结果的物化形式，如形状、尺寸、材料和加工方法等。但在产品开发过程中，即从抽象的概念到具体的结构的物化过程中，需要应用大量的知识和规范，需要进行许多计算和选择，需要对各种信息进行提取和加工，这些大量蕴含在物化过程中的信息，可称为隐式信息。对这些隐式信息进行抽象和归纳，可以得到多种关系，恰恰是这些关系的存在和发现，才能保证变型设计的正确、快速和合理。关系型产品模型以变型产品开发过程中的种种关系为核心，能够最大限度地利用企业已有的产品资源，因而成为能支持富有竞争力的快速响应产品设计策略的最有力工具。
3．4 以产品数据管理系统作为进行快速变型设计的数据平台
产品数据管理将所有与产品相关的信息和产品开发过程集成起来，创造出一种透明度很高的虚拟环境，能适应复杂多变的变型设计的需求，保证在整个产品生命周期中使产品数据具有一致性定义的条件下，进行产品设计的数据管理和过程控制，是集成计算机辅助工具（ＣＡｘ）的重要武器，成为能支持基于关系型产品模型的快速变型设计的数据平台。
3．5 以基于实例推理技术为快速变型设计的智能推理工具
基于实例推理是人工智能中新崛起的一项重要推理技术，其核心思想是在进行问题求解时直接利用以往的成功经验。将它应用于设计领域，就是直接参考以往的类似产品实例，通过必要的修改生成新的产品。这种推理技术符合设计人员的传统习惯和思维方式，特别适合于进行比较大型的结构变型设计的智能推理，是进行快速变型设计的基本推理方法。
４ 结束语
廿世纪已近尾声，新世纪即将来临。面对全球买方市场的迅速形成和科技革命浪潮的汹涌澎湃，制造业的外部形势发生了根本的变化。从快交货到快速响应市场需求，已经成为市场竞争的焦点。企业要在竞争中求得生存和发展，唯有顺应时代潮流，从战略思想、经营理念到生产方式、技术手段都进行彻底的变革。实施“快速响应工程”，把市场信息、设计开发和制造营销等集合成一体，采用计算机和其他先进制造技术，进行跨地域、跨行业的合作，以实现产品对市场的快速响应，就能确保企业在新的挑战中成为不败的赢家。实现快速响应的关键，是有效利用产品信息资源。当今信息时代，在构成产品及其开发过程的物质、能量和信息三大要素中，信息成为最重要的产品资源。从这一点出发，就导致产品开发和制造过程的彻底变革。传统的产品开发和制造过程，以实过程（试制、试验和改进）为主，虚过程（设计、分析和评估）只占从属地位；现代的产品开发和制造过程，数字化的虚拟过程逐渐成为相对独立的重要环节，甚至自成体系占据主导地位。从这个意义上讲，数字化是企业走向新世纪的通行证和护身符。