计算机应用研究
APPLICATION RESEARCH OF COMPUTERS
2000 Vol.17 No.3 P.4-6,14




敏捷制造中的多媒体技术
倪炎榕　刘溪涓　马登哲
摘　要：与网络技术结合的多媒体技术影响着制造领域的各个方面：从销售、产品设计、生产管理、产品制造到员工的教育培训等等。对此，综述了多媒体技术在制造业各子系统中的应用，给出了制造业多媒体系统的框架，提出了今后的研究方向。制造业中多媒体技术应用的集成化将加速制造业向敏捷化方向发展。
关键词：多媒体 网络 敏捷制造
1 多媒体与敏捷制造
　　多媒体技术[1～4]通常被解释为通过计算机，将文字、图象、声音和影视集成为一个具有人机交互功能和可编程环境的技术。其中图象包括图形、图象、动画、视频等，声音包括语音、音乐、音响效果等。目前，多媒体技术在各个领域发挥着引人注目的作用，如科技界、制造业、教育界、娱乐界，甚至军事指挥领域[5]等，更为重要的是，多媒体使用户终端以集成的方式共享、交流、传达各种形式的信息。在计算机应用环境下，多媒体如数据、文本、图象、声音和视频很容易被集成，空间和时间上的多种媒体可通过分布环境被合并。
　　敏捷制造[6]是作为替代大量生产而出现的一种新型制造模式，简单地说就是多品种、变批量，具有敏捷性的制造。敏捷制造的基本特征是智能和快速，智能是指首先利用人的智能、知识、经验和包括技艺在内的能力，同时也利用人工智能；快速是指对顾客驱动的市场的响应灵活而快捷。制造业敏捷化的趋势将会使不同的企业为了相同的目的进行联系，组成虚拟公司，这就需要实现网上多媒体技术。
　　多媒体将作为信息和知识交换的载体，利用Internet将分散的资源快速联结起来，使虚拟企业集团可以不计地域和时差的限制，在比过去更大的范围，甚至全球范围，运作自己的设计、制造和营销业务。各企业间可共享各种资源、知识、信息、技术、设备系统等，通过网上电子交流论坛可实现异地的人与人之间的交流，网上强大的搜索引擎使大量的制造信息传播于用户的指尖。因此多媒体技术使人们方便地获得数据、文档和软件等信息，从而改变了传统制造业的运行方式，促使制造业向敏捷化方向发展，未来的制造业将是基于信息、知识驱动的[7～9]。
2　敏捷制造中多媒体技术的应用
　　这部分将讲述多媒体技术在不同的制造业子系统中的应用，图1给出了与制造子系统并列的多媒体技术的应用。

图1
2.1　销售
　　销售子系统灵活地使用信息销售方式达到特定的销售策略，商品销售者可以得到大量有关顾客需求、销售额、供货时间等信息，同样制造商可将计算机作为媒体，以广告的形式提供产品信息，进行远程销售。这样会提高顾客对市场上产品的了解，增加销售人员对产品的需求。同时，一种更为广泛的支付手段被使用，如信用卡，从而减少了现金交易。
　　多媒体技术使销售报告能迅速以图、表形式得到，并能预测顾客的需求，这为企业产品的销售提供了竞争优势。如Rover汽车制造公司[10]实施了多媒体技术使得经销商和顾客一起工作，构建了顾客所需的车辆。多媒体技术提供一个公共的用户界面，集成各种产品信息。以此提高顾客和销售者之间的交互性，使产品设计符合用户要求。
2.2　协同设计和远程制造
　　协同设计环境使处于不同地点的设计者为同一设计活动共同工作，适应产品生产过程中不断变化的需求。其中一些软件工具是必需的，这些工具如CAD、CAM能在多媒体环境中完成先进的技术，工具软件能帮助设计者在分布的生产过程中缩短产品生产时间，同时提高产品质量。依靠多媒体和Internet，分散于不同地区的设计者可进行同一工程不同阶段的设计。利用电子邮件或远程会议系统交流，每个设计者可拥有自己的CAD/CAM软件和工作空间。多媒体具有的声音、图象、白板和视频功能被成功地应用在国际合作的CAD/CAM项目中，通过Web浏览器、音频、视频使实时信息交流成为可能。各设计者可以同时设计不同部分，然后将文件存储在数据库系统中，从服务器中恢复文件后，进行产品的可制造性评价(DFM)、可装配性分析(DFA)，小组领导就可组织生产。不同设计者还可完成不同部分的修改。完成设计后，可以生成NC代码，NC代码可通过Internet送入加工中心，多媒体形式的指令可以和代码一起被发出。
　　利用Internet作为有力工具的计算机支持的协同设计环境已被行为科学家、计算机科学家、应用研究者等认可。研究大多集中在文本编辑、电子邮件信息传送、二维图形制作上。与制造业有关的工作还包括：共享三维实体造型、图形文本交换、远程设计等。
　　缩短产品生命周期是制造业获得竞争优势的关键因素之一，未来的制造业面临的情况可能是：产品的市场在地球的一端，而要从地球的另一端接收设计方案，这就需要先进的计算机信息交换技术，进行远程制造。远程制造包括数据交换、刀具轨迹及NC代码生成、数控加工机床等。在敏捷制造中Internet辅助制造系统包括CAD/CAM/CAPP/CAx集成的网络服务系统。当地用户输入产品信息，网络服务系统可生成完整的CAD/CAM/CAPP/CAx文件来控制远程的机器完成加工过程。这样的系统使用网页在用户和网络服务系统间建立界面，使当地用户通过Internet操作远程机器，还可建立制造网络数据库，提高制造业的敏捷性。
2.3　生产管理
　　未来的制造如敏捷制造将建立在虚拟企业的基础上。在这种环境中，更需要不同功能领域(产品设计、加工、生产调度)的信息交流，而这些部门可能在地理上是分布的。为了将不同功能领域的人员为同一目标集合起来，需要使用合适的信息系统使组织中每个人明白各自的操作特性。柔性制造系统(FMS)、计算机集成系统(CIMS)、机器人系统被广泛使用于制造业不同领域的集成。如基于机器人的CIM系统包括机器人、机械手、CNC铣床、传感器、可编程控制器(PLC)。这套系统可用来展示自动化加工过程。
　　制造业中生产管理训练和技能提高十分重要，员工如能获得最新的生产能力和提高技术质量方面的知识和技能，将促进企业获得竞争优势。多媒体信息系统仿真支持产品生产管理，多媒体应用在如下方面：
　　(1) 确定生产管理控制策略：如用MRPⅡ、ERP，通过需求预测，综合考虑生产设备能力、原材料可用量和库存量制定生产计划。
　　(2) 加工过程可视化：一个制造单元中，一个人往往要看管几台机床，这需要多媒体提供便利而准确的信息交换。CIMS系统在基于消息的、面向对象的可编程环境中利用图形用户界面(GUI)、利用信息的发布、利用多媒体使组织中不同层次的人员更有效的领会自己的设计或加工方面的任务。例如，CIMS环境中可用音频和视频控制操作，包括仿真加工设备及加工过程中的运动及状态、零件加工过程具有三维实时动画功能。如果加工过程出现问题，多媒体系统会通知操作人员，使加工过程回到正常的轨道上来。
　　(3) 车间层的设计和调度：具体说是确定设备、刀具、夹具、物料处理系统、车间布局等。(4) 车间运行管理：FMS中的调度问题可定义为分配和协调可获得的生产资源，如加工机器、自动引导运输工具、机器人及加工时间，以满足指定目标。
2.4　信息和货物交流
　　业务的分散将使小地域中心代替大规模中心，这意味着在同一企业内部不同部门之间大量的数据需要处理。例如，为了总体上协调仓库操作，需要从不同的仓库中获取信息，使得库存标准和货物传送能够进行。多媒体技术可被用来连接不同仓库中的操作数据，这可以提高传送系统的效率。
2.5　教育和培训
　　多媒体为企业教育和培训提供了多种可能。传统的培训方法是教师面向学生授课，这将逐渐被基于计算机的教育系统丰富甚至替代。许多研究表明交互式培训提高吸引力，减少成本。对于容易出错的工作，基于视频的交互式训练是很理想的。在车间中，多媒体可提供员工个人培训的机会，音频、视频媒体结合图象、文本和动画作为一种工具适合个人的需要和个人学习的步调。大多数产品计划者很少有机会花几天时间离开工作去参加一些课程学习，应用多媒体技术就可以解决这类问题。
　　计算能力的不断提高和新技术费用的降低促进了多媒体技术的应用，这将帮助制造业的教育者进行教育。特别是，高带宽的高速网络系统使音频、视频和文本的混合传输成为可能，因而使教育中的高质量多媒体服务也成为可能。
　　利用合适的多媒体软件和体系结构，计算机可提供一个“生动、自主”的学习环境，帮助学习者积极学习并且能控制他们所处的学习环境。在虚拟企业中，信息可以交互地传递给处于异地的雇员。建立远程教育环境可使异地的雇员虚拟地参加培训，同时交互地通过会议工具将信息传送给教育中心。教育课程数字化地存储在多媒体服务器中，提供给所有参加者，实现培训为需要服务的目的。各公司的虚拟合作需要使用异步传输模式网络。制造工程多媒体课程需要的支持包括：在线教学、音频、视频教育工具、交互式计算机软件(过程和装置设计、仿真、动画软件等)。在线教育工具获得用户的反馈来加强教育效果，Internet用来联系学术、工业、政府和教育部门之间的信息。
2.6　协同管理
　　建立在网络和数据库基础上，图片、文字、影象、声音合成的个人工作站正成为多能的交流工具。随着网络的便利、工作站可靠性的提高，电脑桌上的会议系统得到了重视。分布式的多媒体系统作为新生的信息系统显著地提高了合作交流的效率与质量。
3　制造业多媒体系统设计
　　这里提供一个概念上的网络系统并提出制造业多媒体系统设计方法。图2给出了相对于图1的制造业各子系统集成中多媒体的作用。制造业多媒体系统包括中心服务器(信息提供者)、地方服务器(接收、存储)。中心服务器与地方服务器可通过宽带网络广域网联接，局域网将使多媒体信息分布在不同的功能域中。

　　文本、声音、影象的合成质量决定多媒体信息的质量，所以需要网络交换信息，使系统和用户间友好地交互。在制造业中使用多媒体的主要目的就是为了提高各部门的集成能力(如图2)，使用多媒体信息可增强雇员理解公司任务、制造策略。在线交流可提高人与人的交互同时减少信息交流时间。
　　框架结构的目的在于使信息系统能集成制造各子系统的功能，制造业中一个成功的多媒体系统环境应该既是集成又是分布的，如果一个组织的不同功能领域要有效地合作，企业的管理和集成是一个重要因素，特别是在不同子系统中高效地集成信息流，因为企业成功集成必须适应它的制造能力、技能和其它支持性服务。
3.1　技术要求
　　异步传输模式ATM将作为下一代宽带网的主要传输模式。预计ATM服务在多媒体应用领域将作为唯一的服务适应用户的需求，制造业分布式多媒体应用的技术要求是：
　　．高速处理器用于处理大量多媒体数据；
　　．高带宽和高效的输入/输出设计；
　　．多媒体操作系统支持同步、实时的时间安排；
　　．大容量在线存储；
　　．短时间的多媒体数据网络传输；
　　．适合人机交互和传送多媒体信息的软件工具。
　　局域网(LAN)例如超级LAN600，可以支持高效的多媒体网络，集成各种媒体形式适应大规模的商业需求。特别的是，利用光纤电缆，它可以远距离(大于40km)高速率(622.08Mbit/s)地传输媒体。制造工业中网络应用包括系统配置，这些配置是设计和制造数据库、计算机图象传输、电话交谈的综合。使用ATM网络连接实时分布系统，ATM提供工作站间的高速连接，系统优势在于减少宿主机的承载量，给应用者提供实时服务，支持TCP/IP网络协议。开放式超媒体系统的使用需要多媒体资源适应不同的应用者，允许用户保存资源。这种技术被应用在教育中，在故障诊断、操作训练等方面的应用还受到限制。制造业分布式多媒体系统主要关心的是有效地集成声音和影象等，如机器人、可编程控制器、数控、过程控制系统。
3.2　人在多媒体制造业中的作用
　　各种类型工业过程中交互式多媒体人机界面和综合声音、影象的控制平台，都是为了提高操作者和机器间的交互性，软件工具设计也为了提高人机界面的友好性。下面是影响操作界面的三个主要趋势：
　　(1)信息分配；(2)柔性制造；(3)雇员授权。
　　在这些界面中重要的是引导和支持决策，团队组织环境中，可能的行为将被分析，连续过程中有不同的决策，虽然决策分布在不同的个人中，但还是需要协作。
3.3　制造业多媒体服务质量
　　媒体如声音和影象包括一连串数据，它们只有及时连续地表述才有意义，就像嘴唇的运动对应于讲话。多媒体特征很适合现代制造操作特性，多媒体概念论和装置解决方法为：
　　．实时执行和可靠完成；
　　．集成于可靠的计算机网络资源，传输媒体描述；
　　．提供高质量媒体形式。
　　高质量、实时多媒体服务能否在制造业中完成，很大程度上依靠信息交换系统，它可建立在智能ATM网络交互界面上，还可利用HTML。HTML是建立在SGML标准上的语言，用于构建网页。
4　未来的研究
　　现在的制造业中产品设计者大多数依靠CAD/CAM软件包，进行产品设计、绘制、制造和维护。许多设计者都设计和绘制相同的产品零部件、制定相同的制造过程计划、使用相似的软件，这意味着人们在浪费时间做重复性的工作。而通过Internet如能在线地获得标准零部件的样本和技术方案，会使设计者减少工作负荷，同时增强创造力。如前所述，产品设计者可以和远程的CNC机床联系，低费用、高效率制造产品。集成环境使工作人员更有效地交换意见，提高公司整体创造力。Internet网上多媒体和通讯技术的结合将加速制造业网络环境的建设，集成不同的生产过程，而这些过程分布于不同地区。制造业中Internet和多媒体的应用将促使制造业由串行方式向并行方式的敏捷化转变。未来的研究集中在以下方面：
　　．多媒体数据传输带宽问题[13]；
　　．多媒体数据库建设，充分利用各地的制造能力，使合适的产品在合适的地点制造；
　　．建立交互式公司网页[14]，顾客可以就他们的需求和公司交换意见。Internet网上的网页将成为受欢迎的媒体，符合公司用最小投资增大市场效益的目的；
　　．计算机集成软件技术如专家系统、人工智能、神经网络、超媒体、多媒体很重要，一个独立的混合系统可提高市场竞争力，符合商业策略。支持分布式多媒体系统的高速网络技术(特别是ATM)需进一步研究；
　　．基于WWW和Internet的电子商务的研究，将提高服务质量。
5　结束语
　　多媒体技术在制造业中的应用将减少信息传输时间、降低浪费、协调各部门工作，提高制造业生产效率，特别支持新的制造环境：敏捷制造。本文对多媒体在制造业中的应用作一探索，其中的系统模型和理论支持还有待进一步研究。
本文获国家863/CIMS高技术开发基金资助(No.9846-003)
倪炎榕(上海交通大学CIMS研究所 上海 200030)
刘溪涓(上海交通大学CIMS研究所 上海 200030)
马登哲(上海交通大学CIMS研究所 上海 200030)
参考文献
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收稿日期：1999年10月9日
