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CALS数字化信息环境发展与应用研究
2010年7月28日    评论:    分享:

   作者:傅俭毅,龚时雨,彭明军,冉承新

 

    摘要:我国企业在推行信息化建设进程中,由于缺乏一种统一的、系统而全面的技术方案和发展战略,导致出现“自动化孤岛”现象。CALS作为一种在全球广泛推广与应用的数字化信息环境,对指导我国的信息化建设与促进科技工业的发展都具有十分重要的意义。该文介绍了CALS数字化信息环境的产生发展与基本原理,提出了CALS完善的数字化信息环境体系结构,在总结CALS信息环境在军事与民用领域的应用情况以及介绍CALS信息环境下的技术应用后,阐述了在我国启动和推广CALS建设的必要性,并对我国进行CALS建设提出了建议。

 

    1 引言

 

    随着计算机技术、网络通信技术、信息管理与处理技术以及多媒体等技术的飞速发展,信息技术逐步的向自动化、数字化、网络化和综合化的方向发展,并逐步的被运用于产品的开发中,带来产品市场日益激烈的竞争,因此,世界各国竟相推进国家信息化建设以应对这种变化。并且,随着全球国防部门与工业界和商业界之间合作的日益密切,使得世界各国的信息化环境建设形成一种网络化、商业化和国际化的数字信息环境。在此过程中, CALS成功地用于产品的开发而成为各国推行信息化建设仿效的技术解决方案,特别是在20世纪90年代的全球信息革命浪潮中, CALS迅速推向全世界,影响着全球的信息化,成为各国推进国民经济信息化过程中的一项重要发展战略与基础工程。目前, CALS已成为世界各国信息技术与信息化运用研究的热点领域。

 

    2 CALS数字化信息环境概述

 

    CALS数字化信息环境是一种综合利用计算机、网络、多媒体等先进信息技术,建立集成共享信息环境的基础信息设施,使用统一的信息交换标准和信息共享格式,做到在产品全寿命周期过程中的各有关环节的数字化技术信息数据可以在政府、企业和有关单位之间共享和交换的数字化信息环境。CALS数字化信息环境经历了一个产生与发展过程,并最终形成了目前的信息环境体系结构。

 

    2. 1 CALS的产生发展

 

    CALS最早产生于美国国防后勤保障领域。80年代中期,为了保障武器系统在开发、使用和维修中产生的大量数据,美国国防部于1985 年提出了“计算机辅助后勤保障”(ComputerAided Logisticsupport, CALS)

 

    80年代末期,美国国防部进一步扩大了产品数字化范围,把采办过程中的数据也纳入CALS, 形成“计算机辅助采办与后勤保障”(Computer A ided Acquisition and Logisticsupport,CALS) 1993年以后, CALS数字化范围进一步扩大,其数字化信息的重点转移到装备的持续采办与整个寿命周期保障所产生的所有数据,美国国防部将CALS改称为“持续采办与寿命周期保障”(Continuous Acquisition and L ife - cycleSupport, CALS) [ 1 ] 。在90年代,随着美国国家信息基础设施(N II) 和全球信息基础设施(GII) 的建立, CALS迅速从美国国防部与国防工业企业走向国防与民用工业企业,并以CALS为基础广泛地开展并行工程、企业集成与电子贸易( EC) 。因此,在美国产业界与商界, CALS还有一个更为普遍的叫法是“光速商务”(Commerce A t L ightspeed, CALS) [ 1 ]

 

    由于实施CALS所带来的成功, CALS引起了世界各国的高度重视,许多国家如北约各国、日本、韩国及澳大利亚等国相继对CALS进行研究,推进国家的信息化建设。在20世纪90年代初的全球信息革命浪潮中, CALS成为一项推进世界各国国民经济信息化的基础工程。

 

    2. 2 CALs基本原理与数字化信息环境的结构

 

    CALS的实施是采用一次完成数据的输入后可供多次使用的原理。即用数字化数据代替传统的纸面数据,在政府与工业企业及有关部门之间有效地进行数字化数据的交换和共享。

 

    早期CALS的目标是建立共享的武器系统数据环境,即建立一个在国防部和国防工业部门共享的一体化数据环境。但随着IT技术的日趋成熟和网络全球化的高速发展,以及CALS标准的国际化与商业化,政府与工业界、信息技术开发商、服务提供商以及国际电子商务领域之间合作的日益密切, CALS的目标逐步转变成全球数字化数据共享的开放的信息环境。这种信息环境是一种网络化、国际化与商业化的数字化信息环境。军方原来所倡导的综合数字数据环境成为全球数字化信息环境中的一部分。

 

    目前, CALS的数字化信息环境仍然为三层体系结构,但较1991年美国国防部认为的体系结构[ 2 ] 更为全面和完善。这种数字化信息环境以计算机软件、硬件和通讯网络等作为信息基础设施,和基础设施相关的支撑技术、有关通用标准等一起构成信息环境的最底层,也称为基础信息设施层;而在基础信息设施之上建立的各种数据库管理系统、信息管理系统,以及一些硬件设施、软件工具和硬件软件标准等共同构成共享的开放式的CALS应用数据环境,成为信息环境的中间层,即信息交换与管理层;应用层则是在这种数据环境中,各种数据以物理上分散,逻辑上链接的数据结构的形式,通过授权控制访问、联机数字服务等方式实现数据的生成、交换、存储与维护,以及进行产品综合、过程综合与数据综合等。即完成产品寿命周期内用户与承包商之间的有关功能活动,例如信息的交换等。因此, CALS数字化信息环境的完整结构仍为三层体系结构,其结构如图1表示。

 图1 CALS三层体系结构
图1 CALS三层体系结构

 

    3 CALs数字化信息环境应用综述

 

    3. 1 CALS数字化信息环境的广泛应用

 

    由于CALS信息环境采用开放型的信息体系结构,使用公用的信息平台,利用与N IIGII无缝对接的通信网络传输各种数字信息,从而使CALS成为高度共享的数字化信息环境。目前, CALS在世界各国军事和民用领域的产品开发中得到广泛应用。

 

    首先,在国防领域,各国普遍应用CALS数字化数据环境进行武器系统的采办。如在美国,根据1994年国防部对陆、海、空及战略导弹部队的95项重大防务采办项目应用CALS情况的调查显示: 75%以上项目已应用或计划应用。其中,在如F - 22战斗机、SSN - 21攻击型潜艇、ESSM改进型海麻雀导弹、M1A2坦克、RAH - 66直升机等数十种武器系统的项目中成功的应用CALS,并取得了十分明显的效益[ 3 ]

 

    在民用领域,由于CALS在产品的开发中可以缩短产品投放市场的时间、降低成本、减少库存,以及大大缩短商务过程中时空的限制等特点,因而CALS在飞机、宇宙飞船、汽车、IT产业,甚至建筑业与交通运输业等方面都得到了应用。例如美国波音公司的B - 777研制采用CALS,并进行数字化预装配的虚拟制造获得成功;美国休斯飞机公司,克莱斯勒汽车公司也采用CALS系统进行开发生产;日本以汽车和建筑为试点应用CALS建立虚拟企业;韩国也于94年发布了旨在制造业和商业中进行CALS试点的计划。

 

    3. 2 CALS发展应用的不平衡

 

    CALS不是一项单项技术,它是计算机网络通讯技术、信息安全技术、数据库技术、标准化技术、组织管理技术等多种技术的综合应用,由于各国技术力量和研究CALS时间长短的不同,各国对CALS的应用情况也不尽相同。在美国等技术先进、经济发达的国家,研究CALS的时间较长, CALS的应用进入了全面综合应用阶段,而在亚非拉等国家,由于经济、技术、时间等方面的原因, CALS数字化信息环境尚不完善,因此, CALS的应用有的只是尝试性的试验,有的只是利用网络进行企业内部数据交换或者在设计研制过程中的某个阶段采用CALS,而并非CALS信息环境的全面应用。例如日本对CALS的应用主要是试验,如长野县长野市19号国道两郡桥即是CALS虚拟企业的应用试验[ 4 ] ;我国在97捷达轿车生产的车灯设计阶段也利用了CALS,以动态联盟的合作方式获得制品三维表面模型,对车灯模型进行动态仿真,确定加工工艺程序,完成了车灯的设计制作[ 4 ]

 

    3. 3 CALs环境下实现了多种技术的集成, 也带来了技术的进步

 

    CALS数字化信息环境采用开放体系,使用数字化数据进行传输,使得采用数字化设计与制造的技术都可以应用于该环境。目前,在企业的设计制造过程中实现集成的技术有CAX、并行工程(CE) 、虚拟制造(VM) 、虚拟原型技术; 管理过程中有供应链管理(sCM) 、计算机辅助质量管理(CAQ) 、制造资源规划(MRP) 等等。

 

    同时,由于CALS共享的数字化信息环境为新技术的实现提供了集成框架, 为企业间总体技术上的进步提供了条件。这些进步主要有虚拟企业(VE) 、敏捷制造等组织管理技术,电子商务(EC) 活动,供应链管理(sCM) ,交互式电子技术手册( IETM) 技术等。

 

    3. 4 CALs带来的效益

 

    CALS受到各国青睐,并得以快速发展和应用的原因主要是由于它能带来巨大的效益,能够大大缩短产品的开发制造周期,提高产品质量,降低成本。据有关资料显示,它使产品设计时间缩短50 60% ,规格标准变更处理时间节省约30 50%;能使采购工作量减少30 50%;能使制造质量改善80%、质量保证所花费时间缩短30 70%、库存量减少30 70%在生命周期支援过程中,资料内容变更时间缩短30 50% ,训练时间减少70 80%[ 5 ]

 

    4 CALs环境下建模与仿真技术的应用

 

    随着CALS数字化信息环境成为现代制造系统模式后[ 6 ] ,建模仿真技术作为一种新技术在CALS环境下实现了集成,在武器装备的采办及产品的制造过程中发挥着重要作用。

 

    目前,武器装备系统结构越来越复杂,性能要求越来越高,但开发的时间却越来越短,经费的预算也愈来愈受到限制,在这种情况下使得武器装备的采办不得不采用建模与仿真技术;同时由于建模与仿真技术的发展,使得越来越高可信度的仿真成为可能。因此,武器装备的采办以CALS为支撑信息环境,在建模与仿真技术的“参与”下,最终形成了基于仿真的采办。

 

    基于仿真的采办主要是利用CALS快速、高效、安全地共享和交换数字数据的信息环境,对装备进行使用条件下的初步概念的先期仿真,系统的功能数据流和行为的建模与仿真,使用和维修人员的模拟训练,以及建立维修、使用和后勤保障支援的仿真系统,建立系统集成和测试的仿真或仿真支持系统,用于对系统的保障支援或系统的集成与测试的仿真。即在装备的采办过程中,运用建模与仿真技术,对装备从功能部件到整个装备系统进行不同粒度的建模,在装备的功能与行为等方面进行仿真。采办中建立的各种仿真模型通常需要在作战研究、系统工程、试验鉴定、生产制造、训练、采办管理等各类人员的工作职责范围内进行不同目的的评估、分析、试验或验证,并进行多次的反复,因此,这些模型的技术数据信息需要经过各类人员使用、分析和研究,而这些模型的技术数据正是通过CALS数字化信息环境进行共享或传输与交换,使得基于仿真的采办得以顺利进行。如果没有CALS建立的数字化信息环境的支持,实行装备的仿真采办将变得十分的艰难。

 

    同时,由于在CALS环境下,技术信息数据采用CALS标准数据格式,使得技术信息可以通过网络在异构的计算机环境中实现共享和传递,为建模与仿真技术在产品制造中的应用提供了条件。在CALS环境下,产品的制造事实上是数字环境下的先进制造。而且CALS环境与各种先进制造技术相辅相成, 因为企业要实现内部的信息集成和过程集成需要CALS环境,而完善的CALS信息环境为各种先进的制造技术的纳入又提供了一个开放的数字化制造环境[ 7 ]。目前, CALS环境下,应用建模与仿真技术的先进制造技术主要有现代设计技术,如仿真与虚拟设计,仿真试验与虚拟试验;先进制造工艺技术,如焊接与切割仿真技术,模具快速原形制造技术,机加工拟实制造与装配技术;系统组织管理技术,如分散网络化制造与敏捷制造生产模式,虚拟企业与动态联盟组织方法等等[ 8 ]

 

    它通过建立各种仿真模型,在虚拟的环境下进行产品的设计、加工或制造过程的仿真,对产品进行预测、评价或验证,以在制造过程中得到满意的产品;或者通过建立虚拟的管理系统,进行企业的先进管理。在产品的实际制造过程中,上述的先进制造技术中产品仿真模型的几何信息最后需要转化为制造信息,各种仿真技术需要与实际的制造过程相衔接,它们通过CALS形成的数字化制造环境实现各种模型技术信息的传输和交换,将各种仿真技术与实际的制造过程的衔接,实现了建模与仿真技术在先进制造中的便捷应用。

 

    5 结论与建议

 

    CALS数字化信息环境是现代企业技术集成的基础支持环境,是增强企业市场竞争力的总体技术解决方案和发展战略。认真研究CALS数字化信息环境的发展与应用,对我国的信息化建设具有重要的指导意义。目前,我国的信息化战略方针已经确立、信息基础设施的建设也已有了一定的规模,在我国启动和推广CALS的基本条件基本成熟,它是防止和消除“自动化孤岛”现象的出现,加速我国国防现代化建设、国家信息化和国民经济的发展与深化需要,也是迎接世界信息革命挑战的需要。在我国推进CALS建设的进程中,我们首先应该借鉴国外CALS的经验与技术,从顶层设计出发,整体规划,制订出CALS战略发展规划和阶段实施计划,建立统一系统的体系结构、数据格式与数据交换规范、以及兼容的互联接口标准等;第二,从我国实力和现状出发,将技术研究和实际运用同步进行,即在研究领域全面跟上国际先进水平,加快信息化各种技术的研究, 同时鼓励企业实施CALS, CALS环境下加快各种技术的应用和各种信息系统的集成。机互动与协同等关键算法,能解决复杂虚拟环境感知信息的实时生成、同步合成以及不可直接感知信息的映射与处理等问题,最终实现具有高级人工智能的自适应的攻防对抗仿真系统。

   

    [作者简介]

 

    傅俭毅(1969 - ) ,(汉族) ,湖南长沙人,硕士研究生,讲师,主要从事装备系统与信息系统工程等方面的研究。

 

    龚时雨(1964 - ) ,(汉族) ,四川成都人,硕士,装备系统工程研究室副主任,副教授,主要从事可靠性与质量管理和装备系统工程等方面的研究。

 

    彭明军(1973 - ) ,(汉族) ,湖南双峰人,硕士研究生,工程师,主要从事装备综合保障方面的研究。冉承新(1972 - ) ,(汉族) ,湖南石门人,硕士研究生,讲师,主要从事军事运筹理论与方法研究。

 

    冉承新(1972 - ) ,(汉族) ,湖南石门人,硕士研究生,讲师,主要从事军事运筹理论与方法研究。

 

    参考文献:

 

    [ 1 ]  邹国晨,. 美国在武器装备采办管理中实施CALS战略的研究[ J ]. 中国国防科技信息, 1999 - 6.

 

    [ 2 ]  CALS Dirctory/Data dictionary - vices[ R ]. PB93 - 203537,1993 - 3 - 15.

 

    [ 3 ]  徐宗昌. 保障性工程[M ]. 兵器工业出版社, 2002.

 

    [ 4 ]  于华,焦建斌,高国安. 模具敏捷制造系统的研究[ J ]. 小型微型计算机系统, 1999, 20 (8) .

 

    [ 5 ]  白晓东,朱鹏举. CALS的由来与现状[ J ]. 软件世界, 1997, 8.

 

    [ 6 ]  田雨华,刘煜,蔡颖,薛庆. CALS与相关技术的关系[ J ]. 制造业自动化, 2000, 22 (4) .

 

    [ 7 ]  刘飞,张晓冬, 杨丹. 制造系统工程[M ]. 国防工业出版社,2002.

 

    [ 8 ]  盛晓敏,邓朝晖. 先进制造技术[M ]. 机械工业出版社, 2003.

 

 

 

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