0 前言

    我們知道，對制造企業專業領域的研究，可以通過系統工程和設計來進行。而鋼鐵企業工藝、技術、質量、備件、產品等的研究，也可使用這一方法，且系統工程和CAD設計是流程優化、改進等的核心技術。尤其是在備件結構設計、設備裝配、人機交互設計等上，CAD設計起著決定性的作用，且它通過基于系統工程的CAD設計的實際應用，可有效、快捷地完成相關課題、項目或研究。

1 制造企業應用CAD設計的研究

    CAD設計可以幫助設計人員：進行大量的計算、分析和比較，以決定最優設計方案；存儲大量的設計信息，并能快速地檢索；充分利用CAD設計的各種軟件，如AutoCAD、CAXA、Creo、UML等，進行編輯、修改等操作；大幅度地降低工作量和成本，提高工作效率和質量。

    CAD設計主要應用于計算機制圖、軟件設計、人機交互設計、大型工業控制系統開發等。

    在沒有實施CAD設計之前，制圖需要手繪，且難以達到高精度的計算、測量，浪費大量的人力、資源；對于大規模的設計，手工制圖是一項浩大的工程且需要嚴密的組織計劃。以20世紀60年代美國洛克希德公司秘密部門“臭鼬工廠”研制的U2偵察機為例就足可證明這些——它總是被擊落，雖然不斷升級，增補功能，提高性能，可也只是事后的糾正措施。U2的設計捕捉現實顧客需求并不完善（飛機的弱點未及時暴露），沒有挖掘到潛在客戶的需求（對方的導彈系統性能如何等），以及如何有效應對變更（飛機系統進行應對、設置），這表明大型CAD設計需要系統工程來解決。

    無論是機械、電氣、建筑等設計，還是大的總體架構或小規格、尺寸設計，亦或是軟件流程、信息設計，都可充分使用CAD設計。在現階段，鋼鐵制造企業應用CAD設計已經甚是廣泛，本鋼主要應用AutoCAD、CAXA、UML等軟件進行設計。本鋼南芬球團鏈箅機張緊輪見圖1、回轉窯支座見圖2。

圖1 鏈箅機張緊輪圖

圖2 回轉窯支座圖

    然而，低精度、低規格的設計造成設備故障、停機不斷，每年我國各鋼鐵企業均更換大量的備件，引起的浪費、故障停機實在是太多。目前，在國內鋼鐵行業，寶鋼、首鋼等在提高備件質量、改良設計結構上有重大變革和創新，其它鋼廠模仿、跟風、小改小革居多，大規模設計和自主創新較少。因而，應用系統工程進行CAD設計是眾望所歸。

2 制造企業應用系統工程的研究

    系統方法是從系統的整體性出發，把分析與綜合、分解與協調、定性與定量研究結合起來，精確處理部分與整體的辯證關系，科學地把握系統，達到整體優化。系統方法是企業形成和發展過程的核心力量。我國在軍工、民航、電力、鋼鐵等行業均推行系統方法，尤其是系統工程在高端質量、技術的攻關上起著決定性作用。實際上，技術、質量等專業領域的諸多應用工具、方法都是由系統方法導出的。

    系統工程是指用定性和定量相結合的系統思想和方法處理大型復雜系統的問題，是系統方法運用的大型化和規范化。在鋼鐵生產、制造的關鍵工序中，應用系統方法可利用數據獲得知識以支持及時和準確的工程與業務決策。尤其是在復雜產品開發中，它能充分解決“許多不同的角色、特殊領域的應用程序、特殊領域的流程、項目總體規劃”之間的協作和沖突。IBM應用系統方法甚至是系統工程甚廣，尤其是在軍工、鋼鐵、智慧數據中心等都有應用案例，這些都值得我們學習、研究。應用系統方法可節省大量的時間、成本，IBM Rational對系統方法設計與傳統方法設計的比較見圖3。

圖3 IBM Rational中系統方法設計和傳統方法設計的比較

    系統工程可以應用到所有的制造業。鋼鐵制造企業應用系統方法，要基于需求的思想展開開發或設計的思路，從架構設計入手，不斷迭代、優化和改進，再對部分、具體部件進行設計。下面是IBM Rational對飛機制造業和筆者對鋼鐵制造業系統工程（方法）應用的舉例：

    1）IBM Rational對飛機的架構設計參考見圖4、圖5。

圖4 Rational應用系統工程對飛行器高層信息架構的設計

圖5 Rational應用系統工程對飛機頂層信息架構的設計

    2）筆者從球團的設備維護、產品質量著手，應用系統方法（UML工具設計）進行設計，鏈箅機箅板更換狀態機圖見圖6、球團礦質量不合品控制活動圖見圖7。

圖6 應用系統方法設計的鏈箅機箅板更換狀態機圖

圖7 應用系統方法設計的球團礦質量不合格品控制活動圖

    3）筆者對南芬球團三大主機任意一段熱力學平衡應用系統工程分析，如圖8。

    對鏈箅機預熱Ⅱ段，則有關系式：

圖8 應用系統方法分析預熱Ⅱ段熱力學平衡

    注：其中，M(s)為回轉窯供熱溫度場，Q(s)為進預熱Ⅱ段口溫度場，N(s)為熱風阻力損失場，T(s)為出預熱Ⅱ段口溫度場，P(s)為回熱溫度場，R(s)為球團吸熱溫度場預熱Ⅱ段溫度場為。

3 鋼鐵企業應用基于系統工程的CAD設計的研究

    無論是在高端領域如航天、造船、武器的研制，還是傳統或一般的軍械制造，若想進行高質量、高效率的設計，一定離不開系統工程和CAD設計。而作為傳統企業的鋼鐵制造業，更應效法軍工企業的基于系統工程的CAD設計，更應側重于整體、架構設計和單元、模塊設計，更側重于系統方法的使用，降低研發的復雜度和提高質量，能很容易地和敏捷生產、制造融合，從而幫助改進設計結構、備件材質、備件選型，并能有效地將機械、電氣、熱力、流體、動力等學科有機結合。

    筆者演繹出三種設計流程：自頂向下設計、自底向上設計和混合型設計。自頂向下設計先從整體、架構設計入手，過程為“系統→子系統→單元、模塊化→細化→設計信息輸入→處理→設計信息輸出”。自底向上設計從捕捉設計輸出信息入手，過程為“設計信息輸出→逆向運算→設計信息輸入→建模→集成→子系統→系統”。混合型設計則是自頂向下和自底向上的結合體。但無論是采用哪種類型的流程設計，測試都要從用戶需求階段開始，這一點與軟件開發測試流程有些相似。對于大型開發項目，要盡量確保敏捷、精益和六西格瑪等與其融合使用。

    實施基于系統工程的CAD設計的可行性也是很高的。第一，系統工程可以容許各種系統方法的使用，且系統方法的應用我們都可以從成功案例中獲得。第二，對于系統工程、CAD設計的學習、應用、研究不是很難，工具的使用也不是問題。第三，CAD設計的各種軟件的工具完備、功能全面，且應用都很廣，如AutoCAD、Creo、UML等軟件的最新版本。第四，應用初期是需要進行一定的投入，但是真正實施起來后就可大幅降低人力資源和成本消耗。

    對基于系統工程的CAD設計的要求是很明確的。首先，是在系統工程的基礎上進行CAD設計，但是要保證CAD設計不要受過多的約束，同時要保證投入成本和設計質量。其次，在進行CAD設計的同時，要保證各單元、模塊的兼容性，設計思路要縝密和盡量發散。最后，多注意系統工程或系統方法的應用，以靈活地方式將系統工程和CAD設計進行融合。

    使用基于系統工程的CAD設計應注意：第一，系統分解要到位且要簡練，系統設計要把握顧客現實需求和潛在客戶的要求。第二，要控制各子系統之間的接口開發，提高各單元、模塊的獨立性，注意模塊間的信息聯系。第三，要把握設計的數據結構和算法，注意設計結果要符合用戶體驗。

    一般來說，鋼鐵制造業應用基于系統工程的CAD設計主要在流程優化、備件結構設計、設備裝配、大型控制系統開發、人機交互設計等方面。而隨著設計、裝配精度、物理特性等的不斷提高，CAD設計要逐步實現數字化。

    下面筆者將舉例其應用：

    1）本鋼礦產品廠柴油管理流程圖

圖9 柴油管理流程圖（卸油、閉環管理模塊）

    2）設備裝配圖

圖10 鏈箅機總圖

圖11 鏈箅機壓輥裝配圖

4 結論

    綜上所述，鋼鐵企業應用基于系統工程的CAD設計的研究結果表明，它能有效地解決如何使用CAD設計、如何使用系統工程、怎樣進行基于系統工程的CAD設計的研究，能有效、快捷地解決鋼鐵企業的課題、項目或研究等。但是，本人對鋼鐵企業的流程、各專業的研究還比較粗淺，希望行業專家、學者能多提寶貴意見，以便筆者進行更正、改進和完善。

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