李剛

（哈爾濱劍橋?qū)W院工商管理學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150069）

一、制造業(yè)升級(jí)與復(fù)雜產(chǎn)品創(chuàng)新

中國制造業(yè)升級(jí)目標(biāo)由制造業(yè)大國向制造業(yè)強(qiáng)國轉(zhuǎn)變，制造業(yè)強(qiáng)國的標(biāo)志之一是可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品的制造加工。復(fù)雜產(chǎn)品的特點(diǎn)包括使用高技術(shù)、采用復(fù)雜工藝、零部件數(shù)目龐大、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)層次較多、零部件與產(chǎn)品之間變化關(guān)系較多、具有高價(jià)值。復(fù)雜產(chǎn)品制造通過多家零部件供應(yīng)商、多道制造工序完成制造加工。復(fù)雜產(chǎn)品創(chuàng)新能力提升是實(shí)現(xiàn)制造大國向制造強(qiáng)國轉(zhuǎn)變的路徑。對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品制造過程進(jìn)行創(chuàng)新，通過零部件供應(yīng)商整合制造工序，優(yōu)化提升復(fù)雜產(chǎn)品制造效率，縮短制造加工周期，降低制造加工成本，同時(shí)也打破制造優(yōu)勢(shì)國家對(duì)制造技術(shù)的壟斷。復(fù)雜產(chǎn)品的制造創(chuàng)新由于涉及的供應(yīng)商數(shù)量和環(huán)節(jié)眾多，在實(shí)際制造加工過程中往往存在諸多不可控因素，不能準(zhǔn)確識(shí)別出影響復(fù)雜產(chǎn)品制造創(chuàng)新的根本性因素。因此，需要進(jìn)行多輪對(duì)比性實(shí)驗(yàn)，找出不同控制變量對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品制造創(chuàng)新過程產(chǎn)生的影響[1]。

在復(fù)雜產(chǎn)品生產(chǎn)創(chuàng)新過程中，技術(shù)創(chuàng)新是一個(gè)重要的途徑，可以通過引入先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量；借助數(shù)據(jù)分析和智能化技術(shù)，優(yōu)化生產(chǎn)計(jì)劃和資源配置，提升生產(chǎn)能力和靈活性。此外，管理創(chuàng)新也是關(guān)鍵，通過改進(jìn)溝通和協(xié)作機(jī)制，提高生產(chǎn)過程中的信息流暢度和協(xié)同效率，減少生產(chǎn)中的錯(cuò)誤和延誤[2]。

但是在復(fù)雜產(chǎn)品生產(chǎn)創(chuàng)新過程中，往往生產(chǎn)過程就是創(chuàng)新過程，存在創(chuàng)新績效評(píng)價(jià)和優(yōu)化難題。有學(xué)者針對(duì)創(chuàng)新績效復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)創(chuàng)新評(píng)估的滯后性問題，提出了基于客戶可接受性標(biāo)準(zhǔn)的創(chuàng)新績效評(píng)價(jià)。目前，國內(nèi)以先發(fā)國家復(fù)雜產(chǎn)品創(chuàng)新績效數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)仿真建模，利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，找出復(fù)雜產(chǎn)品創(chuàng)新績效模型中可以優(yōu)化的部分，成為后發(fā)國家實(shí)現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品技術(shù)追趕的獨(dú)特模式。

二、文獻(xiàn)綜述

（一）復(fù)雜產(chǎn)品生產(chǎn)及創(chuàng)新研究

由于復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)的研制和理論探討是比較新興的，并沒有統(tǒng)一的定論。

關(guān)于復(fù)雜產(chǎn)品的定義，學(xué)者認(rèn)為可以從產(chǎn)品生產(chǎn)過程進(jìn)行定義，即具備客戶需求復(fù)雜、產(chǎn)品組成復(fù)雜、產(chǎn)品技術(shù)復(fù)雜、制造流程復(fù)雜、試驗(yàn)維護(hù)復(fù)雜、項(xiàng)目管理復(fù)雜、工作環(huán)境復(fù)雜等特征的一類產(chǎn)品，如航天器、飛機(jī)、汽車、船舶、復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品等。

與傳統(tǒng)大規(guī)模制造產(chǎn)品相比，復(fù)雜產(chǎn)品生產(chǎn)過程具有以下不同的特性：復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)一般為特定用戶以單件/小批量進(jìn)行定制生產(chǎn)，復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)的研發(fā)與生產(chǎn)往往融合在一起，當(dāng)整個(gè)產(chǎn)品系統(tǒng)研發(fā)制造出來之后，就直接單個(gè)/件交付用戶，而不再像大規(guī)模制造的產(chǎn)品那樣，在新產(chǎn)品研發(fā)出來之后，還存在擴(kuò)大再生產(chǎn)的過程。

復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)的集成化程度高，由許許多多的模塊和零部件組成，其開發(fā)成功能夠推動(dòng)其他相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，進(jìn)而帶動(dòng)其他普通大規(guī)模制造產(chǎn)品的發(fā)展。

復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)創(chuàng)新并不遵循厄特巴克所描述的一般產(chǎn)品的創(chuàng)新生命周期規(guī)律。復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)的創(chuàng)新過程需要用戶的高度介入。

復(fù)雜產(chǎn)品生產(chǎn)工藝的特點(diǎn)是以管理優(yōu)化為目標(biāo)，構(gòu)建復(fù)雜產(chǎn)品生產(chǎn)協(xié)同管理模型。此外，需要深入研究產(chǎn)品在研發(fā)、計(jì)劃、生產(chǎn)、產(chǎn)品檢測和改進(jìn)階段的問題，提出生產(chǎn)協(xié)同管理工藝，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)的精細(xì)化管理。

復(fù)雜產(chǎn)品制造過程中工藝數(shù)據(jù)的高維特性以及工藝數(shù)據(jù)間的復(fù)雜關(guān)聯(lián)特性，使工藝數(shù)據(jù)中的深層次關(guān)鍵工藝特征難以挖掘，限制了產(chǎn)品質(zhì)量的準(zhǔn)確預(yù)測[3]。

（二）基于新技術(shù)的復(fù)雜產(chǎn)品創(chuàng)新績效研究

隨著技術(shù)的發(fā)展，新的生產(chǎn)技術(shù)和工藝不斷涌現(xiàn)，為復(fù)雜產(chǎn)品生產(chǎn)過程的創(chuàng)新提供了新的可能性和解決方案。優(yōu)化管理流程和溝通機(jī)制能夠提高生產(chǎn)過程的協(xié)同效率和信息流暢度。復(fù)雜產(chǎn)品的生產(chǎn)過程，涉及多個(gè)環(huán)節(jié)和參與者，需要進(jìn)行有效的協(xié)調(diào)和溝通。有效的生產(chǎn)管理和決策支持系統(tǒng)可以幫助企業(yè)及時(shí)獲取和分析生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵信息，并快速做出決策，進(jìn)而提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量[4]。

智能化技術(shù)的應(yīng)用將成為復(fù)雜產(chǎn)品生產(chǎn)過程創(chuàng)新的重要趨勢(shì)。人機(jī)協(xié)同也將成為復(fù)雜產(chǎn)品生產(chǎn)過程創(chuàng)新的重要方向。隨著機(jī)器人和自動(dòng)化設(shè)備的應(yīng)用逐漸廣泛，人與機(jī)器的協(xié)同工作將成為未來的趨勢(shì)。通過人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器在生產(chǎn)過程中的協(xié)同操作和決策。

云計(jì)算技術(shù)為復(fù)雜產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的協(xié)同合作提供了解決方案。利用云計(jì)算技術(shù)，不同環(huán)節(jié)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和資源可以實(shí)現(xiàn)共享和協(xié)同，提高通信和協(xié)作效率。生產(chǎn)過程中的各方可以通過云平臺(tái)實(shí)時(shí)共享信息和調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃，以應(yīng)對(duì)市場需求和供應(yīng)鏈的變化[5]。

數(shù)據(jù)分析和智能化技術(shù)是復(fù)雜產(chǎn)品生產(chǎn)過程改進(jìn)的重要手段。通過收集和分析大量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，可以對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行深入理解，并發(fā)現(xiàn)問題和瓶頸所在。借助人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，可以建立預(yù)測模型和優(yōu)化算法，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)計(jì)劃的智能化調(diào)整和資源的優(yōu)化配置。這不僅可以提高生產(chǎn)效率和靈活性，還可以減少生產(chǎn)成本和資源浪費(fèi)[7]。

復(fù)雜產(chǎn)品創(chuàng)新依賴新技術(shù)，但新技術(shù)在復(fù)雜產(chǎn)品生產(chǎn)中存在不確定性，為了避免復(fù)雜產(chǎn)品創(chuàng)新風(fēng)險(xiǎn)，提升復(fù)雜產(chǎn)品創(chuàng)新效率，依靠系統(tǒng)仿真進(jìn)行復(fù)雜產(chǎn)品創(chuàng)新績效研究是科學(xué)有效路徑[8]。

三、基于系統(tǒng)工具的復(fù)雜產(chǎn)品創(chuàng)新績效仿真

（一）復(fù)雜產(chǎn)品創(chuàng)新技術(shù)集成過程仿真

從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)到制造以至測試維護(hù)的整個(gè)生命周期中，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)貫穿始終，見表1。

表1 計(jì)算機(jī)仿真在整個(gè)復(fù)雜產(chǎn)品生命周期中的應(yīng)用

（1）仿真在制造車間運(yùn)行中的應(yīng)用。FMS（flexible manufacturing system，柔性制造系統(tǒng)）中的調(diào)度問題可以定義為分配和協(xié)調(diào)可獲得的生產(chǎn)資源，如加工機(jī)器、自動(dòng)引導(dǎo)運(yùn)輸工具（復(fù)雜制造）、機(jī)器人以及加班的時(shí)間等，以滿足指定的目標(biāo)。這些目標(biāo)可以是滿足交貨日期、產(chǎn)量達(dá)到最大，機(jī)器的利用率達(dá)到最高，或上述目標(biāo)的組合。FMS 中的調(diào)度過程包括：①選擇進(jìn)入FMS 的工件；②為工件加工選擇加工路線；③選擇在機(jī)器上進(jìn)行加工的工作；④為復(fù)雜制造選擇派遣規(guī)則。仿真方法主要就以上方面對(duì)調(diào)度問題進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)[6]。

（2）仿真在庫存管理中的應(yīng)用。在整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)中，庫存子系統(tǒng)起著重要的作用。對(duì)于庫存管理的仿真包括：①確定訂貨策略；②確定訂貨點(diǎn)和訂貨批量；③確定倉庫的分布；④確定安全庫存水平。

（二）復(fù)雜產(chǎn)品的創(chuàng)新績效評(píng)價(jià)過程仿真

面向復(fù)雜產(chǎn)品創(chuàng)新績效評(píng)價(jià)過程的仿真主要包括以下3 個(gè)方面：①復(fù)雜產(chǎn)品的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能分析；②復(fù)雜產(chǎn)品的可制造性分析；③復(fù)雜產(chǎn)品的可裝配性分析。面向制造工藝和裝備的仿真主要指對(duì)加工中心加工過程的仿真和機(jī)器人的仿真。面向生產(chǎn)管理的仿真，大致有以下3 個(gè)方面：①確定生產(chǎn)管理控制策略；②用于車間層的設(shè)計(jì)和調(diào)度；③用于庫存管理。下面從這3 個(gè)方面介紹仿真技術(shù)的應(yīng)用。

首先是仿真在生產(chǎn)管理控制策略中的應(yīng)用。用于生產(chǎn)管理控制策略的仿真包括確定有關(guān)參數(shù)的仿真以及用于不同控制策略之間比較的。

其次是仿真在制造車間設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。一般車間的設(shè)計(jì)過程分為兩個(gè)主要階段：初步設(shè)計(jì)階段和詳細(xì)設(shè)計(jì)階段。初步設(shè)計(jì)階段的任務(wù)是研究用戶的需求，然后由此確定初步設(shè)計(jì)方案；詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的主要任務(wù)是在初步設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，提出對(duì)車間各個(gè)組成單元的詳盡而完整的描述，使設(shè)計(jì)結(jié)果能夠達(dá)到進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和投產(chǎn)決策的程度，具體來說即確定設(shè)備、刀具、夾具、托盤、物料處理系統(tǒng)、車間布局等。而仿真技術(shù)則主要用于方案的評(píng)價(jià)和選擇。具體來說：

在初步設(shè)計(jì)階段，可以在仿真程序中融入經(jīng)濟(jì)效益分析算法，運(yùn)行根據(jù)初步設(shè)計(jì)方案所建立的仿真模型，給出以下評(píng)價(jià)信息：①新車間中生產(chǎn)的產(chǎn)品類型和數(shù)量能否滿足用戶要求；②產(chǎn)品的質(zhì)量和精度是否能夠滿足用戶要求；③新車間的效率和投資回收率是否合理。

在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，使用仿真技術(shù)可以對(duì)候選方案的以下方面作出評(píng)價(jià)：①在制造主要零件時(shí)，車間主要加工設(shè)備是否能夠得到充分利用；②負(fù)載是否相對(duì)平衡；③物料處理系統(tǒng)是否能夠和車間的柔性程度相適應(yīng)；④新車間的整體布局是否能夠滿足生產(chǎn)調(diào)度的要求；⑤是否具有一定的可重構(gòu)能力；⑥在發(fā)生故障時(shí)，車間生產(chǎn)系統(tǒng)是否能維持一定程度的生產(chǎn)能力。

四、基于生產(chǎn)過程的復(fù)雜產(chǎn)品創(chuàng)新績效系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)

（一）復(fù)雜產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的創(chuàng)新績效

復(fù)雜產(chǎn)品是指使用高技術(shù)、復(fù)雜工藝制造的零部件數(shù)目龐大、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)層次較多、零部件與產(chǎn)品之間變化關(guān)系較多價(jià)值高的產(chǎn)品。

根據(jù)系統(tǒng)工程理論，將復(fù)雜產(chǎn)品制造過程中的若干因素組成相應(yīng)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，通過仿真改變其中的若干變量并進(jìn)行標(biāo)記。利用系統(tǒng)仿真演示出整個(gè)復(fù)雜產(chǎn)品的創(chuàng)新過程，以系統(tǒng)地仿真出不同控制變量下的不同創(chuàng)新績效[9-10]。

根據(jù)創(chuàng)新績效指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比系統(tǒng)仿真出的多個(gè)創(chuàng)新績效結(jié)果，并選擇最優(yōu)方案，在實(shí)際復(fù)雜產(chǎn)品制造生產(chǎn)過程中實(shí)施，以解決復(fù)雜產(chǎn)品創(chuàng)新績效評(píng)價(jià)問題。即先利用仿真進(jìn)行評(píng)價(jià)，再根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而將原來一次創(chuàng)新績效評(píng)價(jià)變?yōu)槭虑邦A(yù)研創(chuàng)新績效評(píng)價(jià)和事后創(chuàng)新結(jié)果評(píng)價(jià)。由此可見，復(fù)雜產(chǎn)品創(chuàng)新系統(tǒng)仿真技術(shù)在工程設(shè)計(jì)中具有廣泛的應(yīng)用。

（二）復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)仿真建模步驟

現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)仿真軟件完全可以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品制造流程的仿真。復(fù)雜產(chǎn)品制造與普通產(chǎn)品制造過程相似，涉及生產(chǎn)加工、技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、零部件和原材料的采購，以及整個(gè)制造加工過程的安排，還包括后續(xù)產(chǎn)品質(zhì)量性能的檢測。將整個(gè)制造過程全部納入系統(tǒng)仿真，可進(jìn)一步改變系統(tǒng)中不同變量參數(shù)，從而改變對(duì)創(chuàng)新程度的識(shí)別，包括工序工期的安排。仿真建模步驟為：

（1）根據(jù)復(fù)雜產(chǎn)品生產(chǎn)流程進(jìn)行同步數(shù)據(jù)傳輸，以此實(shí)現(xiàn)制造加工、可視化、同步仿真。通過調(diào)研某企業(yè)復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)原有設(shè)備布置圖和詳細(xì)狀況，分析各設(shè)備對(duì)應(yīng)的全流程創(chuàng)新中的仿真元素。根據(jù)掌握的訂單生產(chǎn)任務(wù)量，確定用來表達(dá)訂單狀況的全流程創(chuàng)新元素，設(shè)計(jì)仿真方案。

（2）理順各設(shè)備和復(fù)雜產(chǎn)品的工作邏輯，采用全流程創(chuàng)新元素控制復(fù)雜產(chǎn)品以實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新仿真。進(jìn)行復(fù)雜產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)，制定新的制造加工規(guī)則，設(shè)計(jì)工件進(jìn)入生產(chǎn)線的投產(chǎn)時(shí)間和數(shù)量，采用任務(wù)隊(duì)列技術(shù)控制復(fù)雜產(chǎn)品，對(duì)可能出現(xiàn)的沖突進(jìn)行化解，并調(diào)試仿真模型直至運(yùn)行良好。完成整個(gè)仿真過程后，將數(shù)據(jù)導(dǎo)出，進(jìn)行研判。

（3）當(dāng)生產(chǎn)加工制造過程完全實(shí)現(xiàn)仿真后，還應(yīng)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)研究、生產(chǎn)制造、技術(shù)開發(fā)等環(huán)節(jié)全面納入系統(tǒng)仿真。利用計(jì)算機(jī)仿真軟件進(jìn)行復(fù)雜產(chǎn)品制造過程創(chuàng)新，主要是通過改變零部件供應(yīng)環(huán)節(jié)，改變生產(chǎn)加工制造的工藝流程環(huán)節(jié)、工序環(huán)節(jié)來實(shí)現(xiàn)制造方法的創(chuàng)新。

（三）實(shí)證案例演示

實(shí)證研究以某高校實(shí)驗(yàn)室的智能制造實(shí)驗(yàn)中心為例，該實(shí)驗(yàn)室承接企業(yè)復(fù)雜產(chǎn)品的制造加工全過程。智能制造實(shí)驗(yàn)中心將復(fù)雜產(chǎn)品創(chuàng)新全過程劃分為設(shè)計(jì)、采購、制造、測試等環(huán)節(jié)和流程。

在復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)演示系統(tǒng)中共有n個(gè)設(shè)計(jì)中心，定義為設(shè)計(jì)中心a1、設(shè)計(jì)中心a2，設(shè)計(jì)中心a3...設(shè)計(jì)中心an，分別對(duì)應(yīng)該復(fù)雜產(chǎn)品制造系統(tǒng)的n個(gè)設(shè)計(jì)流程。該設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以針對(duì)一個(gè)或多個(gè)復(fù)雜產(chǎn)品分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，再進(jìn)行組合。

在復(fù)雜產(chǎn)品零部件原材料采購演示系統(tǒng)中，共有n個(gè)采購中心，定義為采購中心b1、采購中心b2、采購中心b3...采購中心bn，分別對(duì)應(yīng)該復(fù)雜產(chǎn)品采購系統(tǒng)的n個(gè)環(huán)節(jié)。該采購系統(tǒng)可以分別針對(duì)一個(gè)或多個(gè)復(fù)雜產(chǎn)品進(jìn)行分別零部件原材料采購，再根據(jù)工序工藝進(jìn)行統(tǒng)一組合。

復(fù)雜產(chǎn)品制造演示系統(tǒng)共有n個(gè)加工中心，定義加工中心名稱分別為加工中心c1、加工中心c2、加工中心c3...加工中心cn，分別對(duì)應(yīng)該復(fù)雜產(chǎn)品制造系統(tǒng)的n道工序，該制造系統(tǒng)可以分別針對(duì)一個(gè)或者多個(gè)復(fù)雜產(chǎn)品進(jìn)行分別制造加工，再進(jìn)行組合安裝調(diào)試。n個(gè)加工中心可以同時(shí)開始加工，也可以錯(cuò)時(shí)加工，按照不同的生產(chǎn)技術(shù)調(diào)整組合，可以形成不同的生產(chǎn)工具。

在復(fù)雜產(chǎn)品質(zhì)量性能檢驗(yàn)中心，檢測中心共有n個(gè)，定義名稱檢驗(yàn)檢測中心為檢測中心d1，檢測中心d2，檢測中心d3...檢測中心dn，分別對(duì)應(yīng)該復(fù)雜產(chǎn)品檢測系統(tǒng)的n個(gè)不同步驟。該檢測系統(tǒng)可以分別針對(duì)一個(gè)或多個(gè)復(fù)雜產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn)檢測，最終根據(jù)檢測結(jié)果分別給出質(zhì)量檢測鑒定結(jié)果。該復(fù)雜產(chǎn)品創(chuàng)新績效系統(tǒng)過程如圖1 所示。

圖1 復(fù)雜產(chǎn)品創(chuàng)新績效系統(tǒng)過程

目前，復(fù)雜產(chǎn)品制造流程一般是一套流程全部完成后，進(jìn)入下一步流程。例如，設(shè)計(jì)流程完成后進(jìn)入原材料和零部件的采購流程，然后進(jìn)入制造生產(chǎn)加工流程，再進(jìn)入產(chǎn)品質(zhì)量檢測流程。在每一個(gè)子系統(tǒng)內(nèi)完成全部活動(dòng)或流程后再進(jìn)入下一個(gè)流程，在全部流程完成后，進(jìn)行復(fù)雜產(chǎn)品交付驗(yàn)收。

在復(fù)雜產(chǎn)品創(chuàng)新過程中，采用每個(gè)演示系統(tǒng)流程與下一流程對(duì)應(yīng)的方式，即每一流程單一環(huán)節(jié)完成后，均可與下一環(huán)節(jié)對(duì)接，而不需要等到自身流程全部完成后，再進(jìn)入下一流程。

五、基于生產(chǎn)過程的復(fù)雜產(chǎn)品創(chuàng)新績效系統(tǒng)仿真優(yōu)化

分別使用Arena 軟件和Extend 軟件進(jìn)行基于生產(chǎn)過程的復(fù)雜產(chǎn)品創(chuàng)新績效系統(tǒng)仿真。其中Arena 軟件在制造系統(tǒng)中的應(yīng)用主要包括：制造系統(tǒng)的工藝計(jì)劃、設(shè)備布置、工件加工軌跡的可視化仿真與尋優(yōu)、生產(chǎn)計(jì)劃、制造系統(tǒng)的改進(jìn)。Extend 軟件的應(yīng)用涉及制造業(yè)、物流業(yè)等領(lǐng)域，具體應(yīng)用于生產(chǎn)系統(tǒng)的性能優(yōu)化等。通過對(duì)系統(tǒng)績效指標(biāo)的仿真分析，可以直觀地評(píng)價(jià)和改進(jìn)影響系統(tǒng)性能的因素，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最佳的配置、運(yùn)行模式或經(jīng)營策略。各種仿真數(shù)據(jù)可以在軟件中導(dǎo)出。其中，綜合績效表示該部門績效水平，創(chuàng)新績效表示該部門經(jīng)優(yōu)化后的績效水平，均采用加權(quán)平均法計(jì)算。

（一）復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)仿真基本模型的運(yùn)行分析

以某高校實(shí)驗(yàn)室的智能制造實(shí)驗(yàn)中心為例，基本模型的參數(shù)為：復(fù)雜產(chǎn)品1 個(gè)、設(shè)備緩沖數(shù)量為4、復(fù)雜產(chǎn)品運(yùn)行速度為1m/s、按工藝1、工藝2、工藝3 的順序投產(chǎn)。仿真模型運(yùn)行后顯示，當(dāng)生產(chǎn)流程完成時(shí)，可利用率最高的是a2、b1、c3、d2，利用率為31%，而其余4 個(gè)設(shè)備效率不到20%，生產(chǎn)設(shè)備利用率偏低。從Arena 仿真軟件和Extend 仿真軟件導(dǎo)出基本模型的運(yùn)行數(shù)據(jù)、制造中心基本模型的運(yùn)行數(shù)據(jù)、采購中心基本模型的運(yùn)行數(shù)據(jù)、測試中心基本模型的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行總體創(chuàng)新績效分析，具體分析結(jié)果見表2～8，其中表2～5 為具體的設(shè)計(jì)、制造、采購、測試環(huán)節(jié)分析；表6 為基本模型的整體運(yùn)行數(shù)據(jù)分析。

表2 設(shè)計(jì)中心的運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

表3 制造中心的運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

表4 采購中心的運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

表5 測試中心基本模型的運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

表6 基本模型的運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

（二）復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)仿真優(yōu)化模型運(yùn)行分析

在仿真過程中可以發(fā)現(xiàn)，不管采取哪種投產(chǎn)方式，復(fù)雜產(chǎn)品生產(chǎn)設(shè)備利用率普遍偏低，因此改變復(fù)雜產(chǎn)品的并行生產(chǎn)數(shù)量可以提高設(shè)備利用率。

從仿真結(jié)果分析可知，復(fù)雜產(chǎn)品數(shù)量增加時(shí)，無論采取哪種投產(chǎn)方式，都可以有效縮短生產(chǎn)時(shí)間，提高設(shè)備的利用率，但是比較兩種投產(chǎn)方式，順序循環(huán)投產(chǎn)的方式能夠更有效地縮短時(shí)間。從1 件復(fù)雜產(chǎn)品到5 件復(fù)雜產(chǎn)品，設(shè)備的利用率都在提高，但是隨著復(fù)雜產(chǎn)品數(shù)量增加到4 件后，提升的速度變緩。由此可見，復(fù)雜產(chǎn)品加工數(shù)量達(dá)到一定程度后，增加復(fù)雜產(chǎn)品數(shù)量對(duì)縮短時(shí)間的效果并不顯著。而且由于增加復(fù)雜產(chǎn)品就意味著增加成本，因此將復(fù)雜產(chǎn)品數(shù)量控制在4 件以下是比較合適的。設(shè)備1 的效率是所有設(shè)備中最高的，也就是說瓶頸在設(shè)備1，有效提高設(shè)備1 的生產(chǎn)率可有效縮短生產(chǎn)時(shí)間。

（三）復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)仿真創(chuàng)新優(yōu)化方案的選擇

保持其他條件不變，改變復(fù)雜產(chǎn)品的制造速度可以減少設(shè)備等待的時(shí)間。針對(duì)基本模型利用率低、花費(fèi)時(shí)間長的問題，提出以下幾種優(yōu)化方案：訂單按時(shí)間分批投入，提高設(shè)備的利用率；訂單按順序循環(huán)投入，提高設(shè)備的利用率；增加復(fù)雜產(chǎn)品的數(shù)量，減輕復(fù)雜產(chǎn)品的負(fù)荷，提高設(shè)備利用率；提高復(fù)雜產(chǎn)品的制造速度，可以提高設(shè)備的利用率；改變?cè)O(shè)備緩沖的數(shù)量。

針對(duì)以上提出的方案修改基本模型，在多次運(yùn)行的基礎(chǔ)上對(duì)新模型進(jìn)行分析，從而找出最優(yōu)的模型參數(shù)，具體結(jié)果見表7～8。但在現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，復(fù)雜產(chǎn)品的制造速度不能太高，太高就會(huì)造成對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品的控制難度加大，因此提高復(fù)雜產(chǎn)品制造速度的現(xiàn)實(shí)意義有限。

表7 優(yōu)化模型的運(yùn)行數(shù)據(jù)1

表8 優(yōu)化模型的運(yùn)行數(shù)據(jù)2

六、結(jié)論與展望

（一）結(jié)論

基于系統(tǒng)工具進(jìn)行復(fù)雜產(chǎn)品創(chuàng)新績效仿真，實(shí)驗(yàn)利用仿真軟件運(yùn)行生產(chǎn)數(shù)據(jù)，根據(jù)仿真軟件輸出的結(jié)果分析復(fù)雜產(chǎn)品創(chuàng)新績效，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品生產(chǎn)創(chuàng)新可從以下技術(shù)、產(chǎn)品、流程三個(gè)方面優(yōu)化：

（1）復(fù)雜產(chǎn)品創(chuàng)新系統(tǒng)仿真的目的在于通過模擬和評(píng)估各種設(shè)計(jì)方案，提供科學(xué)決策依據(jù)，降低產(chǎn)品開發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)和成本，并加快產(chǎn)品上市時(shí)間。對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品技術(shù)創(chuàng)新過程進(jìn)行仿真，并根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化。研究發(fā)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新能力對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品創(chuàng)新績效起到了一定的作用，同時(shí)發(fā)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新存在多重不確定性，通過系統(tǒng)仿真可以減少不確定性，并最終提高創(chuàng)新績效。

（2）復(fù)雜產(chǎn)品創(chuàng)新系統(tǒng)仿真的意義在于提高產(chǎn)品創(chuàng)新的成功率和市場競爭力。通過仿真模擬，設(shè)計(jì)人員可以提前識(shí)別和解決可能存在的問題，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，生產(chǎn)人員可以進(jìn)一步提升產(chǎn)品的性能和可靠性。同時(shí)，復(fù)雜產(chǎn)品創(chuàng)新系統(tǒng)仿真還能夠減少實(shí)驗(yàn)和試驗(yàn)成本，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高工作效率，為企業(yè)創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。

（3）通過建立精確的數(shù)學(xué)模型和仿真算法，復(fù)雜產(chǎn)品創(chuàng)新系統(tǒng)仿真能夠模擬產(chǎn)品在不同環(huán)境下的工作狀態(tài)和性能表現(xiàn)，幫助進(jìn)行全流程優(yōu)化，確定最佳創(chuàng)新方案，最終實(shí)現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品創(chuàng)新系統(tǒng)優(yōu)化。該優(yōu)化過程針對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品原有的各階段，利用系統(tǒng)工具形成復(fù)雜產(chǎn)品的全流程優(yōu)化，最終進(jìn)一步提升復(fù)雜產(chǎn)品創(chuàng)新績效。

（二）展望

復(fù)雜產(chǎn)品創(chuàng)新系統(tǒng)仿真技術(shù)在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用前景非常廣闊，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，它將繼續(xù)向以下幾個(gè)方向發(fā)展。

（1）數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的仿真方法將得到廣泛應(yīng)用。隨著大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)的興起，利用真實(shí)數(shù)據(jù)來訓(xùn)練仿真模型，提高仿真準(zhǔn)確度和可靠性成為可能。通過數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的仿真方法，設(shè)計(jì)人員可以更準(zhǔn)確地預(yù)測產(chǎn)品的性能和行為，快速評(píng)估不同設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣，并進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。同時(shí)，仿真技術(shù)將更加強(qiáng)大和智能化。隨著計(jì)算能力的提高和仿真軟件的不斷優(yōu)化，復(fù)雜產(chǎn)品創(chuàng)新系統(tǒng)仿真將能夠處理更大規(guī)模的模型和更復(fù)雜的物理現(xiàn)象。

（2）多物理場耦合仿真將得到進(jìn)一步發(fā)展。未來的仿真技術(shù)將更好地模擬和評(píng)估多物理場耦合現(xiàn)象，提供更全面準(zhǔn)確的產(chǎn)品創(chuàng)新預(yù)測。

（3）通過仿真技術(shù)的應(yīng)用，復(fù)雜產(chǎn)品的創(chuàng)新和發(fā)展將更加可行和可持續(xù)。根據(jù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)仿真，在數(shù)據(jù)公開趨勢(shì)下，更有利于發(fā)現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品生產(chǎn)流程中可以創(chuàng)新優(yōu)化的環(huán)節(jié)，促使復(fù)雜產(chǎn)品的生產(chǎn)呈現(xiàn)規(guī)?；纳坪吞嵘?。