С помощью средств моделирования в реальном масштабе времени фирмы-изготовители устраняют огрехи в своих процессах и находят более совершенные схемы размещения оборудования...

С помощью средств моделирования в реальном масштабе времени фирмы-изготовители устраняют огрехи в своих процессах и находят более совершенные схемы размещения оборудования, минуя дорогостоящие решения в металле и изготовление опытных образцов

Автомобили, освещенные аварийной сигнализацией, врезаются в стены и складываются, как гармошки. Предназначенные для испытаний на удар роботы совершают головокружительные маневры, чтобы избежать столкновений, а трехмерные персонажи, весьма напоминающие живых людей, деловито собирают детали разбившихся машин. Это не сцены из жестокой видеоигры. Такой предстает новая страница информационной революции, которая преобразует обрабатывающие отрасли промышленности. Технологии компьютерного моделирования, совмещенные с процессом изготовления, в совокупности получившие название электронно-цифрового производства (digital manufacturing), используются автомобилестроительными фирмами и гигантскими аэрокосмическими корпорациями. С их помощью инженеры подвергают проверке новаторские идеи, определяя целесообразность реализации в новых продуктах, и экспериментируют с новыми методами производства, не тратя время и средства на изготовление физических прототипов.

В основу электронно-цифрового производства положена идея использования информационных технологий для совместной разработки производственных планов и оборудования одновременно с совершенствованием продукта. Почему это важно? Потому что описанное решение позволяет устранять конструктивные недоработки, огрехи производства и улучшать неэффективные процессы на ранних стадиях, когда изменения не влекут за собой недопустимых отставаний в графике подготовки изделия к выходу на рынок. Потенциальную экономию средств, конечно же, трудно переоценить. В общем-то эту концепцию нельзя считать абсолютно новой. Ранее аналогичные идеи были известны как комплексное проектирование и проектирование с учетом требований сборки, но широкое внедрение этих концепций начинается только сегодня. Специалисты консалтинговой и исследовательской фирмы CIMdata, специализирующейся на вопросах управления жизненным циклом продуктов, полагают, что на протяжении ближайших трех лет инвестиции в технологии электронно-цифрового производства будут ежегодно увеличиваться более чем на 25%.

Эймэл Герджис, директор информационной службы Pratt & Whitney Canada

Главными энтузиастами электронно-цифрового производства стали не инженеры, а директора информационных служб. «Руководитель такого подразделения отвечает за все информационные технологии, а электронно-цифровое производство — это часть подобных технологий. Речь идет о партнерстве между ИТ, инженерным искусством и производством», — полагает Эймэл Герджис, директор информационной службы Pratt & Whitney Canada. Старший вице-президент и директор информационной службы DaimlerChrysler Сьюзен Унгер, сыгравшая ключевую роль в реализации инициативы по организации электронно-цифрового производства в своей компании, получившей название «Цифровая фабрика», утверждает: «Если сотрудники ИТ-подразделения не принимают активного участия в создании электронно-цифрового производства, то все распадается на отдельные процессы и потенциал всего виртуального коллектива сходит на нет».

В сфере электронно-цифрового производства руководители информационных подразделений исполняют несколько ролей. Им приходится быть прогнозистами, определяющими шансы на победу в конкурентной борьбе. Они должны выступать в качестве ключевых спонсоров и менять агентов для облегчения реализации новых бизнес-процессов и организационных преобразований. К тому же с электронно-цифровым производством связаны многие традиционные задачи ИТ-подразделения. Ведь формирование структуры сведений о продукте внутри организации, создание стратегии интеграции данных, обеспечивающей синхронизацию с другими важнейшими бизнес-системами, и вычленение участков, где электронно-цифровое производство даст наибольший эффект, можно решить только под руководством директора информационной службы и при участии руководителей инженерных и производственных подразделений. «Чтобы предприятие смогло эффективно обрабатывать цифровую информацию и сформировать культуру совместной работы сотрудников, приписанных к разным подразделениям, организацию нужно перестроить, и это задача директора информационной службы», — считает Майкл Гривс, директор по индустриальным исследованиям Департамента систем управления информацией колледжа управления имени Эллера при Университете Аризоны.

ВИРТУАЛЬНОЕ ПРОИЗВОДСТВО: РЕАЛЬНАЯ ЭКОНОМИЯ

Не так давно процесс разработки нового авиадвигателя, вплоть до поставки его на рынок, занимал у специалистов компании Pratt & Whitney Canada (P&WC) целых пять лет. Сегодня благодаря инициативе Digital Engine, предпринятой в 2002 году, и ряду усовершенствований внутренних процессов этот срок сократился до трех лет. Руководство P&WC полагает, что с помощью электронно-цифрового производства и других технологий период, отделяющий начальный замысел нового двигателя до его внедрения на рынок, можно сократить еще больше — до двух с половиной лет. Применение методов моделирования для выявления недостатков массового производства и оценки расходов на обслуживание принесло потрясающие результаты. По словам директора информационной службы Герджис, передовой метод проектирования двигателей в виртуальной среде позволяет компании экономить 500 тыс. долл. на каждом новом типе изделия, поскольку теперь можно обходиться без физических моделей в натуральную величину. Более того, порядка 70% т. н. интерференций — конфликтов между серийно изготовленными деталями — в настоящее время разрешается на ранних стадиях проектирования.

Вдобавок, моделирование помогает снизить затраты на обслуживание изделия. Если раньше для того, чтобы определить, будут ли рабочие по ремонту и обслуживанию иметь свободный доступ к тем или иным узлам двигателя, приходилось создавать из дерева или пластика дорогостоящие модели в натуральную величину, то теперь инженеры P&WC имеют возможность средствами имитационного моделирования более точно замерять эргономические параметры и оценивать время, необходимое для выполнения процедур обслуживания.

«Руководитель информационного подразделения отвечает за все информационные технологии, а электронно-цифровое производство составляет их часть. Речь идет о партнерстве между ИТ, инженерным искусством и производством», — убеждена Эймэл Герджис, глава информационной службы Pratt & Whitney Canada.

Среди фирм, которые начали использовать инструментальные средства и процессы электронно-цифрового производства, что называется, по полной программе, — автомобилестроительные компании Ford, General Motors и DaimlerChrysler, а также аэрокосмическая корпорация Boeing.

По данным исследования, проведенного в 2003 году фирмой CIMdata, компании, организовавшие у себя цифровое производство, добились весьма обнадеживающих результатов: многие из них на 30% сократили время от начального замысла нового продукта до его внедрения на рынок, уменьшили количество конструктивных изменений на 65%, на 40% сократили процесс производственного планирования и добились в среднем 15% роста производительности труда.

В 2000-м корпорация General Motors отказалась от создания физических прототипов своих автомобилей и начала использовать цифровые модели. Уже в первый год она сэкономила 75 млн. долл. Еще одной важной вехой на пути этой компании к цифровому производству явилось моделирование ключевых производственных операций, а также испытание эргономических характеристик.

Теперь корпорация GM располагает 25-ю разбросанными по всему миру залами оценки эксплуатационных характеристик транспортных средств, где инженеры-проектировщики и инженеры-технологи проводят регулярные проверки автомобилей с помощью трехмерных моделей. При этом сборочные группы и другие компоненты оцениваются еще до их запуска в производство.

По словам Терри Клайна, руководителя службы обработки информации подразделения GM по разработке изделий с участием специалистов из разных стран мира и директора информационной службы GM по азиатско-тихоокеанскому региону, с тех пор, как в General Motors реализовали цифровое производство, корпорация выпустила на рынок множество продуктов без каких-либо нареканий. «Раньше для того, чтобы обнаружить изменения процесса, приходилось изготавливать автомобиль на заводе, — поясняет Клайн. — А теперь мы отслеживаем эти изменения с помощью средств визуализации и моделирования».

Как заявляет Унгер, не менее впечатляющих успехов добилась корпорация DaimlerChrysler. С помощью инструментальных средств цифрового производства компания на 30% сократила время строительства нового завода, возведенного в Германии, и более чем на 10% снизила затраты на создание производственных цехов по сравнению с заводскими проектами, реализованными с использованием традиционных методов. Кроме того, средства моделирования позволили на 30% сократить время планирования при переоснащении производственных линий для изготовления новых продуктов на действующих заводах.

НЕ ТОЛЬКО АВТОМОБИЛИ И КОСМИЧЕСКИЕ КОРАБЛИ

В наши дни лидерами в реализации концепции электронно-цифрового производства являются автомобилестроительные и аэрокосмические компании. «На первых этапах предприятия этих отраслей вкладывали в цифровое производство очень большие деньги, потому что средства механической обработки для их производственных процессов обходятся очень дорого, — поясняет Эд Миллер, президент компании CIMdata. — Для работников этих отраслей исключительно важно понимать, как движутся потоки, а также как строятся заводы и линии поточной сборки». Но за успехами первопроходцев внимательно следят представители других секторов экономики. Среди фирм, проявляющих особый интерес к идее электронно-цифрового производства, следует назвать изготовителей сложных электронных приборов, медицинского оборудования, фармацевтических препаратов и продуктов на базе биотехнологий.

Собственно, некоторые поставщики сложных электронных приборов уже сегодня используют процессы цифрового производства.

Предприятия фармацевтической индустрии применяют эти технологии не столько в производстве новых медицинских препаратов, сколько в процессе их разработки. Однако, по мере того как процессы разработки лекарств будут становиться все более виртуальными, предприятия отрасли, скорее всего, станут уделять все больше внимания методам электронно-цифрового производства, чтобы быстрее начинать выпуск лекарственных препаратов и сокращать время циклов, полагает Гривс.

Надо сказать, что задача реализации электронно-цифрового производства в его нынешней форме по плечу лишь самым мощным компаниям. Только в программное обеспечение и техническую поддержку приходится вкладывать миллионы долларов, не считая расходов на аппаратные компоненты, необходимые для выполнения расчетных задач. Но поставщики уже разрабатывают приложения стоимостью менее 100 тыс. долл., такие как средства анализа материальных потоков, что, по его словам, даст средним и даже малым предприятиям возможность использовать средства компьютерного моделирования, не реализуя систем цифрового производства во всей их полноте.

Технология, меняющая правила игры

Почему же сегодня мы наблюдаем столь повальное увлечение идеей цифрового производства? Этот повышенный интерес объясняется успехами в развитии технологий имитационного моделирования, достигнутыми такими поставщиками, как Dassault Systemes и UGS. Программные инструменты достигли такой степени совершенства, когда виртуальная визуализация дает те же результаты, что и реальные операции.

«Моделирование функционирующего завода еще до того, как он реализован в металле и камне, позволяет компаниям экономить уйму денег, — разъясняет Кевин О?Мара, вице-президент фирмы AMR Research, курирующий исследования. — Можно, к примеру, спроектировать изделие, не принимая во внимание процессы его изготовления, но в этом случае может получиться продукт, который невозможно изготовить. Если же проектировщики не будут абстрагироваться от производственных процессов, они смогут точнее определить стоимость разработки изделия и указать, какие требования следует выполнить для организации его массового производства».

Впрочем, воплотить этот виртуальный мир в реальной производственной среде отнюдь не просто. Программные средства электронно-цифрового производства весьма сложны и стоят больших денег. Кроме того, их использование предполагает серьезные изменения бизнес-процессов. Обеспечить совместную работу производственных и инженерных групп на ранних этапах процесса разработки невозможно без радикального пересмотра сложившихся культурных стереотипов.

Еще одна причина, противодействующая укоренению новых технологий, состоит в том, что поточно-массовое производство — сфера традиционная и посему не слишком восприимчивая к новым веяниям. Многие менеджеры среднего звена по-прежнему скептически относятся к заявлениям поставщиков средств цифрового производства и представителей фирм, уже реализовавших эту идею. Они не готовы рисковать своим будущим, предоставляя вышестоящим менеджерам право на вложение в новое дело столь существенных средств.

Наконец, для полной реализации потенциала цифрового производства руководителям большинства компаний необходимо провести значительную подготовительную работу. Им нужно до тонкостей разобраться во всех процессах, чтобы они могли точно моделировать процедуры создания продуктов, а это совсем непохоже на традиционные подходы к организации производства.

Исторически сложилось так, что сотрудничество между инженерными и производственными департаментами принимает форму многостадийного процесса. Сначала инженеры с помощью своих систем автоматизированного проектирования работают над проектами нового изделия. Потом они создают прототип и, так сказать, передают эстафету инженерам по организации производства, которые с помощью собственных наборов инструментов определяют, можно ли изготовить такой продукт и какой ценой. Далее начинается карусель: прототип дорабатывается, вновь тестируется для выяснения возможности его промышленного изготовления, опять дорабатывается, снова тестируется и т. д.

Этот итерационный процесс приводит к громадному увеличению цикла, который новый продукт проходит до внедрения на рынок, и к существенному росту расходов, связанных с тем, что старые прототипы приходится выбрасывать и изготавливать новые. «Если вы попытаетесь спроектировать изделие без средств имитационного моделирования, то наверняка пропустите пару-тройку сварных точек или вдруг обнаружите, что какие-то детали не стыкуются из-за того, что были приняты неверные допуски, — объясняет Гривс из Университета Аризоны. — Обычно такие проблемы утрясаются в ходе экспериментов в заводских цехах».

В цифровом мире все происходит иначе. Взаимодействие между группами инженеров и производственников происходит непосредственно на уровне моделей, физические прототипы при этом не применяются. Как только инженеры создают эскиз изделия, его цифровое представление могут просматривать специалисты по организации производства. Они называют возможные проблемные участки, и необходимые изменения вносятся в эскиз еще до создания цифровых прототипов. Аналогичным образом осуществляется тестирование на виртуальном конвейере, где также фигурирует цифровое представление изделия. Это дает возможность, к примеру, выяснить, работают ли сварные точки или определить, сможет ли рука робота без помех выполнить необходимую операцию.

Используя описанные технологии, компании могут не только экономить время и деньги. Они получают более благоприятные возможности для оптимизации процесса производства. «Инженеры, работающие по-старому, радуются уже тому, то подобрали приемлемый метод обработки, — рассказывает Гривс. — При этом на производственный цех нередко ложатся слишком большие расходы, и используется далеко не лучший метод обработки». При новых средствах моделирования появляется возможность испытать различные альтернативные решения и выбрать оптимальный способ изготовления изделия.

КОНКРЕТНЫЕ ПРИМЕРЫ РЕАЛИЗАЦИИ СИСТЕМЫ ЦИФРОВОГО ПРОИЗВОДСТВА

Корпорация Boeing намеревается применить методы цифрового производства для повышения удобства обслуживания своих самолетов. Концепция этого производства будет широко использоваться в программе проектирования нового реактивного самолета средних размеров 787 Dreamliner. Опытный образец изделия планируют создать в нынешнем году, а массовое производство намечено на 2008 год. С помощью программного обеспечения фирмы Delmia, ведущего поставщика средств цифрового производства, специалисты Boeing выполнят широкий спектр операций — от моделирования процесса сборки самолета в заводском цеху до тестирования динамики износа тех или иных структурных компонентов конструкции.

Данные, касающиеся возможных проблем с обслуживанием, поступят в распоряжение инженеров фирмы Boeing еще до того, как конструкция самолета будет окончательно утверждена. Это позволит конструкторам создать самолет, отличающийся большей эффективностью и более высоким уровнем удобства обслуживания на протяжении всего жизненного цикла воздушного судна, который составляет обычно 30 с лишним лет. «Очень часто мы принимаем те или иные решения, руководствуясь принципом «лучше перестараться, чем потом сожалеть», — поясняет Фрэнк Статкус, вице-президент фирмы 787 Advanced Technology по инструментальным средствам и процессам. — А сейчас мы проектируем изделие осознанно, то есть имеем полное представление о жизненном цикле того или иного компонента».

Старший вице-президент и директор информационной службы компании DaimlerChrysler Сьюзен Унгер

Старший вице-президент и директор информационной службы компании DaimlerChrysler Сьюзен Унгер отказалась от практики «перебрасывания» результатов работы между инженерным и производственным департаментами, которая отнимала недели рабочего времени. Теперь проводится сеанс моделирования, длящийся всего полчаса.

С помощью средств цифрового производства сотрудникам корпорации DaimlerChrysler удалось значительно упростить процесс взаимодействия инженеров-проектировщиков и инженеров по организации производства.

Сьюзен Унгер хорошо запомнила один из сеансов имитационного моделирования, проведенный в 2003 году, в ходе которого преимущества новых технологий были продемонстрированы особенно наглядно. Требовалось снять разногласия между инженерами и специалистами по организации производства, возникшие при установке в автомобиле определенного модуля. В прошлом для решения этого вопроса пришлось бы проводить многократные обсуждения. На рассмотрение аргументов и контраргументов обеих сторон ушло бы несколько недель, а то и месяцев.

В новой среде Digital Factory потребовался лишь один сеанс моделирования продолжительностью в полчаса. На компьютерном экране разместили изображение как самого модуля, так и виртуальной фабрики. И всем присутствующим стало ясно: рабочему-сборщику придется влезать в багажник и вслепую устанавливать компонент в соответствии с указаниями инженера-проектировщика. «Давно сказано, что одна картинка стоит тысячи слов, — поясняет Унгер. — Новая технология создает среду, наглядно выявляющую различные точки зрения, и помогает преодолевать предубеждения, ранее возникавшие в специализированных функциональных подразделениях».

Конечно, введение системы цифрового производства не означает, что между сотрудниками различных функциональных подразделений немедленно устанавливаются более продуктивные отношения. Чтобы приучить инженеров без внутреннего сопротивления представлять коллегам из других подразделений незаконченные проекты на более ранних стадиях разработки и привить технологам вкус к работе с неполными данными, к тому же требующими дальнейших корректировок, необходима большая работа по изменению культуры производства и бизнес-процессов.

Вот здесь-то и может сыграть свою роль директор информационной службы. Унгер вместе со своими коллегами из производственного и инженерного подразделений выступала в качестве спонсора идеи цифрового производства.

Кроме того, она активно занималась выявлением тех звеньев производственной цепочки, где преимущества среды Digital Factory проявились бы особенно наглядно. В их числе оказались некоторые программы по разработке моделей Mercedes, а также обработка внешних стальных компонентов автомобиля, известных как «body and white». «В сущности, перед нами такое же изменение бизнес-процессов, как и всякие прочие, — утверждает Унгер. — Надо искать наиболее перспективные участки для применения новых методов и выявлять важнейшие коммерческие проблемы, которые эти методы позволят решить».

ПРОБЛЕМА РЕАЛИЗАЦИИ

Программное обеспечение реализации концепции цифрового производства связано с большими затратами — и в финансовом плане, и с точки зрения необходимых изменений в бизнесе и процессах. Следовательно, эти программные системы должны быть привязаны к основной бизнес-стратегии компании. В корпорации American Axle & Manufacturing (AAM) средства цифрового производства используются для сокращения непроизводительных расходов, утверждает Абдалла Шанти, вице-президент фирмы по ИТ и интеграции электронных изделий, а также директор информационной службы. «Североамериканской обрабатывающей промышленности активно противостоят производители всего мира, и существует лишь один путь, позволяющий выстоять в этой борьбе: мы должны быть лучше, чем остальные — не только выпускать более совершенные изделия, но и эффективнее организовывать весь бизнес. Вот почему так важно брать на вооружение новейшие технологические средства», — поясняет он.

Абдалла Шанти, директор информационной службы компании American Axle & Manufacturing

С помощью технологий цифрового производства сотрудники этой специализирующейся на производстве автомобильных трансмиссий и шасси фирмы с годовым оборотом в 3,6 млрд. долл. имеют виртуальный доступ ко всем 17 заводам компании. Менеджеры высшего звена могут осуществлять мониторинг производственной деятельности, разбираться с проблемами качества и гасить пожары в реальном масштабе времени. Готовясь принять решение о возведении производственного помещения или о приобретении капитального оборудования, инициаторы должны продемонстрировать его целесообразность средствами имитационного компьютерного моделирования. Эти средства применяются для предварительной оценки мощности и других характеристик заводов еще до их строительства. Именно поэтому, по мнению Шанти, фирма AAM сегодня имеет рейтинг Six Sigma.

Это значит, что на один миллион произведенных деталей приходится в среднем лишь 3,4 ошибки. Строительство нового завода компании в Мексике завершили на пять месяцев раньше срока. Шанти полагает, что по мере распространения технологий электронно-цифрового производства в его компании, выгоды от их применения будут все более очевидными.

Директор информационной службы непременно должен участвовать в реализации концепций электронно-цифрового производства, но в одиночку ему с этой задачей не справиться. Важно иметь союзников в функциональных подразделениях, в частности, в производственном и инженерном департаментах. В компании Ford проект по реализации электронно-цифрового производства осуществляется совместными усилиями подразделения по разработке продуктов, производственного департамента и информационной службы. Информация — сфера ответственности директора информационной службы, а разработкой бизнес-процессов и приоритетов занимаются коммерческие подразделения, поясняет Ричард Рифф, технический стипендиат Генри Форда по теме «Виртуальная разработка продуктов» и менеджер компании по управлению жизненным циклом продуктов. «Речь должна идти о партнерстве между бизнесом и ИТ, — утверждает он. — Иначе мы будем иметь дело с технологией ради нее самой, а не с технологией для достижения определенной цели».

Как ИТ способствуют совершенствованию процесса производства

Рационализация потоков в заводских цехах и сокращение числа переделок (физических прототипов) — лишь часть потенциала ИТ.

Ощущая все более жесткое давление со стороны конкурентов во всем мире, американские производители испытывают острую потребность в новых технологиях и методах работы, которые могли бы обеспечить применение новаторских решений как в изготовлении продуктов, так и в организации бизнес-процессов.

Одна из наиболее многообещающих инициатив в этой сфере — интеграционная стратегия управления жизненным циклом изделия (product lifecycle management, PLM), обеспечивающая беспроблемную доставку данных, касающихся определенного продукта, всем сотрудникам, имеющим отношение к той или иной стадии его жизненного цикла. Стратегия PLM — логическая предшественница концепции электронно-цифрового производства, и за последние пару лет эти инфраструктуры постепенно реализовывались в ряде компаний.

PLM предполагает унифицированное представление сведений о продуктах, значительно облегчая сотрудничество и обработку информации, необходимой для цифрового производства. Это важно, так как различные группы специалистов, в частности, инженеры и планировщики ассортимента изделий, используют неодинаковые наборы данных и разные средства моделирования, что крайне затрудняет построение интегрированных моделей.

Концепция цифрового производства, являясь составной частью более широкой стратегии PLM, изменяет правила игры. Появляется возможность внести в цифровое моделирование компонент реального времени, что позволяет изготовителям планировать оптимальные заводские потоки, тестировать процессы, отказываться от использования прототипов и сокращать число переделок (известных как «scrap and rework» — «выбросить и сделать заново»). Проектировщики изделий уже более десяти лет делают то же с помощью систем автоматизированного проектирования — создают цифровые прототипы новых моделей автомобилей или авиационных двигателей перед тем, как реализовывать их в металле или создавать дорогостоящие прототипы, предназначенные для одноразового использования. Цифровое производство — попытка распространить эти принципы на массовое производство изделий.

Beth Stackpole. Virtually Flawless? CIO Magazine. May 15, 2005