武器装备快速研制系统的研究

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摘要： 从技术发展的角度和武器装备的需求出发，阐述了快速研制系统产生和发展的背景，并从技术、功能和研制过程方面探讨了快速研制系统的定义和内涵。面向武器装备的研制过程，建立了快速研制系统概念模型及体系结构模型，总结并提出了快速研制系统的技术体系。

关键词： 武器装备； 快速研制系统；概念模型；技术体系

以敏捷制造、柔性集成制造、虚拟制造和快速原型制造技术等为代表的快速研制系统（ Quick Response Researching and Manufacturing System ， QRRMS ）已成为当前研究的热点。武器装备快速研制系统是指在某项武器装备战术、技术指标的需求确定后，面向该项武器装备的设计过程和制造过程的系统。在这种含义下，快速研制系统也可以意译为 Quick Response Designing and Manufacturing ， QRDM 。深刻理解快速研制系统的概念和内涵，探索适合我国国情的快速研制系统的应用模式，对加快我国武器装备的更新换代具有重要意义。

1 快速研制系统的产生与发展

20 世纪 90 年代以来，上市时间已上升到市场竞争四要素（质量、价格、服务和上市时间）的首位，产品快速开发的技术与手段成为企业的核心竞争能力 [1] ，快速反应制造（ Quick Response Manufacturing — QRM ）系统与技术便成为学术界和工业界竞相开发和应用的技术 [2] 。如美国 Wisconsin-Madison 大学 1993 年就成立了快速反应制造研究中心，并提出了利用全新的途径，重新设计整个企业组织结构的一系列措施。另外， 1992 年，美国 Lehigh 大学 Iacoa 研究所受国防部委托所提交的 21 世纪制造企业战略报告中，提出了敏捷制造的概念 [3] 。

敏捷制造模式与快速反应制造技术的出现和发展，为快速研制系统的产生奠定了基础。在工业界大力开发和应用快速反应制造与敏捷制造技术的同时，发达国家的军事工业为满足武器装备快速更新换代的要求，也在不断开发快速研制和生产技术。如美国空军在研制 YF-22 战斗机的过程中就提出了一体化产品快速开发的概念； 1986 年，美国国防部制定了计算机辅助后勤支援计划（ CALS ），旨在将技术文件密集的国防订货方式转变为高度自动化、信息化和集成化的快捷工作方式；同年，美国国防防务分析研究所 (IDA) 进行了并行工程（ Concurrent Engineering ， CE ）的可行性研究，旨在解决武器系统开发周期长的问题，并提出了并行工程的概念和方法 [3] 。

国外军事工业已经逐步提出了一系列武器装备快速研制和生产的思想、方法和技术。进入 20 世纪末期，美国对武器装备快速研制和生产的追求更为明显。美国国防部《 2010 年及其以后的美国国防制造工业》报告中指出："国防部要决定有哪些产品和工艺过程必须受到保护，并寻找关键的替代外国供应商的本国生产商和（或）开发快速反求工程及重新制造能力 [4] 。"该报告强调了"低成本快速产品实现"，并列举了可使周期时间和非重复成本显著降低的制造技术，包括新的产品设计方法、新的制造工艺、新的企业间合作方式和新的企业内部运作方式，要在国防武器系统整个生命周期内"实现能做出快速反应的世界一流水平的制造能力"。美国已经把快速研制系统技术作为 21 世纪制造技术的发展重点。

近年来，我国国防科技工业快速研制系统技术的开发和应用也得到了充分的重视。 20 世纪 90 年代末，我国武器装备先进 制造技术专家 就 明确建议，应将 快速研制系统技术 作为武器装备先进制造技术的发展重点，并指出：" 快速研制系统技术是提高武器装备研制、生产的快速响应能力的关键技术。快速研制系统技术以计算机技术、网络技术和仿真技术为工具，从型号设计开始，研究武器装备的加工、装配和使用维护的全过程，以减少直到消灭设计的变更和信息传递的错误，缩短研制周期和降低研制费用。快速研制系统技术是将武器装备的设想尽快变为实用武器装备的快速可靠途径。 " 进入新世纪以来，快速研制系统技术已经成为我国 武器装备先进制造技术发展的重点。

2 快速研制系统的概念与内涵

快速研制系统目前尚无统一的定义，一般认为是采用能加快研制速度的先进制造技术，能加快新产品研制速度的制造系统。快速的含义是指在不断变化与难以预测的环境中，在保证产品质量的前提下，提高新产品的研制效率，加快研制速度，缩短研制周期。

快速研制系统从本质上说还是一个制造系统，它是由研制过程及其所涉及的人员、材料、能源、能加快研制速度的硬件（研制设备、各种装置）和有关的软件（现代制造理论、先进制造工艺与系统集成方法）以及制造信息所组成的，具有特定功能的有机整体。

从功能角度，快速研制系统的内涵可理解为：能将研制资源（设备、材料、能源、信息）快速转变为新产品的输入输出系统。快速研制系统可对研制信息进行充分共享和快速处理，对研制资源进行快速配置或重组，对研制过程进行优化和精简，人员和系统能协调工作，从而使系统具有快速研制的功能。

从技术角度，快速研制系统的内涵可理解为：集各种能加快产品开发速度的先进制造技术和管理方法于一体的制造系统。如设计阶段的数字化设计、虚拟设计技术，试制阶段的快速成型制造（ RPM ）技术，以及所采用的敏捷制造模式和分散网络化制造模式等 [5] 。

从过程角度，快速研制系统的内涵可理解为：覆盖产品研制的全过程的制造系统，包括市场需求、产品设计、试制、测试、定型和最终实现批量生产。狭义的快速研制系统仅限于新产品定型之前的过程，不包括批量生产技术。

从快速研制系统的概念和内涵可以看出其具备以下几个特性：

(1) 快速性 快速性 是指产品研制和开发的速度快，周期短，即能以最短的时间完成研制任务。系统具有快速性是由于系统采用的技术、方法和手段均以能加快研制速度为特征。

(2) 阶段性 快速研制系统仅覆盖整个制造过程的研制阶段。一般来说，批量生产组织管理、批量生产工艺技术和装备等不在快速研制系统的研究范围之内。

(3) 集成性 快速研制系统的集成是指以加快研制速度为特征的集成，包括资源（物理设备、应用系统和人）集成、功能集成、信息集成和过程集成。

(4) 适应性 快速研制系统具有对产品设计和工艺变化、制造方法和手段变化、集成测试条件变化等适应快的特性，适应性体现了系统在难以预测的变化中的适应能力。

(5) 人机协同性 研制环境较批量制造环境更具动态性，这就决定了快速研制系统必然是人机一体化的交互式系统。

3 武器装备快速研制系统的基本模型

快速研制系统将信息技术、快速设计技术、快速原型制造技术、虚拟现实技术和现代项目管理技术等集成，充分利用信息高速公路及制造业的资源，采用新的设计理论和方法、制造工艺、新的组织管理模式及项目管理思想，将新型武器装备的设计与试制有机结合，以快速、经济地响应武器装备的更新换代。

3.1 概念模型

武器装备快速研制系统是面向武器装备设计、制造过程的制造系统，它既具有制造系统的基本功能结构，又体现了设计、制造过程的快速特性。快速研制系统的概念模型不仅体现制造系统的基本特征，还应体现研制过程的集成与研制功能的集成。经过研究，初步建立的快速研制系统概念模型如图 1 所示。

3.2 基于多视图的开放式体系结构模型

武器装备快速研制过程中的每个阶段都与功能、信息、组织和资源密切相关，因此，从多视图角度出发，研究了构成快速研制系统的集成化建模体系结构。它以过程视图为核心，以其他的视图（功能视图、信息视图、组织视图、资源视图）为辅助视图来统一集成建模，最终形成具有一定柔性的动态系统模型，如图 2 所示。

其中，组织视图描述系统的层次化组织结构，并定义组织中不同的角色；过程视图对系统研制基本过程进行可视化；功能视图描述要实现系统目标所需的功能；资源视图描述要实现系统目标所需的各种资源；信息视图描述要实现系统目标所需的信息，以活动反映每个阶段的研究工作。多视图的结构模型反映了武器装备关键零部件不同研制阶段与不同视图间的映射关系及各个阶段的研究重点，快速研制系统生命周期由需求分析阶段、快速设计阶段、快速工艺准备阶段、快速制造阶段、快速装配阶段到产品试制定型阶段组成。

4 快速研制系统技术体系与发展趋势

快速研制系统技术是提高武器装备研制、生产的快速响应能力的关键技术，是将武器装备的需求与设想尽快变为实用武器装备的快速可靠途径。武器装备快速研制技术和手段将成为国防制造业未来竞争的核心。

4.1 快速研制系统的主要技术群

从武器装备快速研制生命周期的过程控制出发，在设计、工艺、制造、系统集成、运行及装配各阶段提取和定义的快速研制系统技术体系，提出快速研制系统的五大技术群：快速设计系统技术群、快速制造工艺与装备技术群、快速制造管理与保障技术群、快速柔性集成制造技术群以及快速研制支撑技术群。快速研制系统技术体系具体如表 1 所示。

表 1 快速研制系统技术体系

快速设计系统
技术群

快速制造工艺与装备技术群

快速制造管理
与保障技术群

快速柔性集成
制造技术群

快速研制支撑
技术群

并行设计；
虚拟设计；
模块化设计；
反求设计；
变型设计；
数字化协同设计；数字化产品模型；CAD/CAE/CAM ； 仿制真技术； 建模技术

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CAPP 技术；快速原型制造技术；
高速切削技术；
高效工艺装备；
软工装技术； 成组工艺技术；
无工具装配； 快速再制造

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CALS ；
快速研制的质量保证技术；可靠性技术；
敏捷制造管理模式；
系统快速重组或重构技术；分散网络化与协同制造技术；
快速诊断技术；
快速维护技术

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柔性制造系统技术；
柔性装配系统技术；
柔性物流系统技术；
柔性工装技术

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网络技术；
数据库技术；
PDM 技术； 快速研制集成平台和集成框架技术；

标准化技术

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4.2 快速研制系统技术发展趋势

（1）数字化是快速研制系统技术的核心 通过建立数字化模型，实现武器装备研制全过程的信息共享，完成武器装备的优化设计、质量与可靠性预测；实现试制过程协同、试验测试信息集成；对研制的全过程实施时间和空间上全面、有效的管理，快速、高效地完成武器装备的研制。

（2）协同设计与制造武器装备研制工作具有群体性、交互性、分布性和协作性的特点，迫切需要改变传统的串行工作模式，对设计与制造过程进行重构；应充分重视人机一体化技术，在制造系统内部协同、型号研制单位内的协同和型号研制单位间协同三个层次上，深入研究和应用协同化技术。

（3）智能化 智能化是柔性制造与快速集成制造下一步的发展方向，智能化的设计系统、制造执行系统和管理系统是武器装备智能化制造的突破口。

5 结束语

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关键问题。把企业建成一支"快速反应部队"，已成为 21 世纪制造业 众多追求的首要目标。

武器装备快速研制系统作为一种崭新的制造系统，以对高技术现代战争战术、技术需求的快速反应为特征，是 加速武器装备更新换代的有效途径。探索适合我国国情的快速研制系统模式，加强武器装备快速研制系统的研究与开发，对提高我国武器装备的研制能力、加快武器装备的现代化具有重要意义。

参考文献

[1] 刘 飞，张晓冬，杨 丹 . 制造系统工程，北京：国防工业出版社， 2000 .

[2] 丁培璠 . 快速反应制造（ QRM ）—一种新的生产系统 .中国 机械工程， 1996 ， 7(3) ： 107-109 .

[3] 美国国防部 2000 — 2004 财年制造技术五年计划 . 北京：中国兵器工业第二一零研究所，北京先进柔性制造技术咨询中心， 1999 .

[4] 2010 年及其以后的美国国防制造工业 . 北京：中国兵器工业第二一零研究所，北京先进柔性制造技术咨询中心， 1999 .

[5] 快速反应制造技术—先进制造技术系列讲座 . 北京：中国机械工程学会， 1998 .