虛擬制造的基本概念及研究開發(fā)動(dòng)向.doc

虛擬制造的基本概念及研究開發(fā)動(dòng)向發(fā)表時(shí)間：2006-2-8牛占文，徐燕申，巖田一明，小野里雅彥來(lái)源：中國(guó)機(jī)械網(wǎng)虛擬制造作為21世紀(jì)制造技術(shù)的核心，已受到了世界各國(guó)的高度重視。本文從信息變換等價(jià)性的觀點(diǎn)、分析了虛擬制造系統(tǒng)與真實(shí)生產(chǎn)系統(tǒng)的相互對(duì)應(yīng)關(guān)系，探討了虛擬制造的基本概念，介紹了國(guó)際主要研究動(dòng)向及應(yīng)用領(lǐng)域。 1、虛擬制造的基本概念 虛擬制造（Virtual Manufacturing:VM）的研究與開發(fā)利用已引起各國(guó)的高度重視，尤其是歐美、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，竟相投入大量人力，物力進(jìn)行VM的研究與開發(fā)。 什么是虛擬制造，目前各國(guó)學(xué)術(shù)者尚未形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，籠統(tǒng)的理解是：在計(jì)算機(jī)內(nèi)構(gòu)造虛擬的生產(chǎn)系統(tǒng)模型，進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程的模擬。本文將從信息變換等價(jià)性的觀點(diǎn)出發(fā)，分析VM系統(tǒng)與實(shí)際生產(chǎn)系統(tǒng)的相互對(duì)應(yīng)關(guān)系，探討VM的基本概念，并介紹目前國(guó)際上虛擬制造研究的方法、手段、研究開發(fā)的動(dòng)向及VM的廣闊應(yīng)用前景。 1.1 實(shí)際制造與虛擬制造 如圖1（a）所示，實(shí)際生產(chǎn)系統(tǒng)具有對(duì)“物質(zhì)”、“信息”、“能源”進(jìn)行轉(zhuǎn)換的功能，即投入原材料、生產(chǎn)、信息電力等能源，制造出所需要的產(chǎn)品及與產(chǎn)品相關(guān)的信息，并排放出作為副產(chǎn)品的余熱等能源。通常把在生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行的上述轉(zhuǎn)換活動(dòng)稱為制造。由此，VM可以理解為：將實(shí)際生產(chǎn)中的“物質(zhì)”和“能源”信息化，針對(duì)實(shí)際生產(chǎn)系統(tǒng)中的信息及被信息化的“物質(zhì)”和“能源”實(shí)現(xiàn)與實(shí)際生產(chǎn)在信息上的等價(jià)轉(zhuǎn)換，這樣的轉(zhuǎn)換形式稱為虛擬制造（如圖1（b），即VM過(guò)程雖然沒(méi)有制造出實(shí)際產(chǎn)品，但卻生成了有關(guān)產(chǎn)品的信息及制造產(chǎn)品所需的信息。 圖2進(jìn)一步表明了實(shí)際生產(chǎn)與虛擬制造的關(guān)系。R1、R2表示真實(shí)生產(chǎn)實(shí)施前后的狀態(tài)，V1是將R1信息化處理后的模型，V2是擬實(shí)制造系統(tǒng)信真后的結(jié)果。R2與V2在信息上應(yīng)是等價(jià)的。圖1 實(shí)際生產(chǎn)與虛擬制造的定義 圖2 實(shí)際生產(chǎn)的信息化與仿真 1.2 虛擬制造系統(tǒng) 基于信息變換等價(jià)性的實(shí)際生產(chǎn)系統(tǒng)和虛擬制造系統(tǒng)，在概念上也可進(jìn)一步被看成是由“物理系統(tǒng)”和“信息系統(tǒng)”組成的，即生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)部存在著設(shè)備原材料、產(chǎn)品等物理實(shí)體和生產(chǎn)計(jì)劃、任務(wù)書、產(chǎn)品性能要求等信息實(shí)體。由物理實(shí)體構(gòu)成的部分稱為“物理系統(tǒng)”（Physical System）；由信息實(shí)體構(gòu)成的部分稱為“信息系統(tǒng)（Information system）”、即生產(chǎn)系統(tǒng)由實(shí)施制造的物理系統(tǒng)和對(duì)物理系統(tǒng)進(jìn)行管理（包括計(jì)劃、控制）的信息系統(tǒng)構(gòu)成。工廠的生產(chǎn)車間可被看作物理系統(tǒng)，而生產(chǎn)管理部門則可被認(rèn)為是信息系統(tǒng)的一部分。 物理系統(tǒng)和信息系統(tǒng)又可分為真實(shí)物理系統(tǒng)（Real Physical System:RPS）、虛擬物理系統(tǒng)（Virtual Physical System:VPS）和真實(shí)信息系統(tǒng)（Real Information System:RIS）、擬實(shí)信息系統(tǒng)（Virtual Information System:VIS）。如果假定虛擬的物理和信息系統(tǒng)存在則有： (1) 真實(shí)物理系統(tǒng)（RPS）真實(shí)信息系統(tǒng)（RIS）：現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)系統(tǒng) (2) 真實(shí)物理系統(tǒng)（RPS）虛擬信息系統(tǒng)（VIS）：生產(chǎn)計(jì)劃、管理的部分為虛擬的生產(chǎn)系統(tǒng)、例如，用計(jì)算機(jī)對(duì)已建成的工廠進(jìn)行動(dòng)轉(zhuǎn)試驗(yàn)。 (3) 虛擬物理系統(tǒng)（VPS）真實(shí)信息系統(tǒng)（RIS）：實(shí)施生產(chǎn)的部分為虛擬系統(tǒng)的生產(chǎn)系統(tǒng)、可以對(duì)新工廠的建議方案進(jìn)行事先評(píng)價(jià)。 (4) 虛擬物理系統(tǒng)（VPS）虛擬信息系統(tǒng)（VIS）：在計(jì)算機(jī)內(nèi)建立物理系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的模型、基于模型通過(guò)仿真實(shí)現(xiàn)的生產(chǎn)系統(tǒng)。 虛擬制造系統(tǒng)必須是在上述組合系統(tǒng)中，至少有一個(gè)是虛擬系統(tǒng)。 2、虛擬制造系統(tǒng)的形式與研究方法 從虛擬制造系統(tǒng)的形式看，可分為以下兩種形式： (1) 計(jì)算機(jī)仿真 構(gòu)造有關(guān)生產(chǎn)的計(jì)算機(jī)內(nèi)部模型，通過(guò)仿真實(shí)現(xiàn)虛擬制造。 特點(diǎn)：生產(chǎn)設(shè)備、工廠組織、產(chǎn)品均是虛擬的。 (2) 遙控制造 由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將載域上分散的生產(chǎn)設(shè)備結(jié)合起來(lái)，進(jìn)行集成管理和運(yùn)行。 特點(diǎn)：生產(chǎn)設(shè)備和產(chǎn)品是實(shí)際存的，而工廠組織是假想（虛擬）的、從研究的方法手段來(lái)看，主要有以下六種形式： 產(chǎn)品建模 特點(diǎn)：以產(chǎn)品模型設(shè)備模型為核心、進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、生產(chǎn)調(diào)度、設(shè)備布局、控制等的仿真。 生產(chǎn)過(guò)程仿真 特點(diǎn)：對(duì)切削裝配等生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行仿真。 設(shè)備仿真 特點(diǎn)：機(jī)器人等生產(chǎn)設(shè)備離線仿真、動(dòng)態(tài)特性分析和模擬。 物流仿真 特點(diǎn)：物流規(guī)劃、AGV（自動(dòng)般運(yùn)等）仿真等。 機(jī)器控制 特點(diǎn)：遙控操作，虛擬制造設(shè)備（Virtual Manufacturing Device:VMD）開放式系統(tǒng)控制器（Open System Controller）等。 人工虛擬現(xiàn)實(shí) 特點(diǎn)：用計(jì)算機(jī)圖形（CG）及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，使操作者身臨虛擬制造系統(tǒng)，以進(jìn)行操作訓(xùn)練。 3、虛擬制造的研究開發(fā)動(dòng)向 在美國(guó)、目前已形成了由政府、產(chǎn)業(yè)界、大學(xué)組成的多層次，多方位的綜合研究開發(fā)力量。VM已被作為增強(qiáng)產(chǎn)業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的重要手段，由政府支持的研究，開發(fā)及商品化正在加緊進(jìn)行。主要項(xiàng)目有：TEAM (Technologies Enabling Agile Manufacturing,Dept.of Energy). NAMT (National Advanced Manufacturing Testbed). SIMA (Advanced Manufacturing Systems and Networking Testbed). NIIIP (National Industrial Information Infrastrclcture Protocols,NIST). MAVE(the Metrices for the Agile Virtual Enterprise,DARPA). Man Tech(DoD Manufacturing Technology Program,Dept.of Defense). The JAST(Joint Advanced strike Technology). Fast Track Program(US Air Force). 以產(chǎn)業(yè)界團(tuán)體為中心進(jìn)行的作為VM基礎(chǔ)的VM系統(tǒng)建模及標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)項(xiàng)目主要有：SEMI(Semiconductor Equipment and Materials International) SECS I/II(SEMI Equipment Communication Standard I/II) HSMS(High-speed SECS Message) GEM(Generic Equipment Moldel) VFEI(Virtual Factory Equipment Interface) OMG(Object Managment Group) CORBA(Common Object Request Broker Architecture) ATARI(Agile Textile-Apprale Research Initiative) SME(Society of Manufacturing Engineers) CONDUIT(Cooperative Network for Dual-use Information Tedinology) 美國(guó)的眾多大學(xué)及研究機(jī)構(gòu)、則把VM看作21世紀(jì)生產(chǎn)的核心，紛紛從不同方面對(duì)VM進(jìn)行研究。Purdue University:project SONOMA(WWW based Virtual Factory) Iowa State University:Virtual Factory Project Lehigh University:MAVE Project (With DARPA) Washington state University:Virtual Environment for Design and Manufacturing MIT:Leaders for Manufacturing project Maryland University:Database of Wirtual Manufacturing projects University of Illinois at Chicago:Factory Models Using VR(With NIST) 在歐洲、許多大學(xué)及研究機(jī)構(gòu)通過(guò)相互間的合作，并聯(lián)合企業(yè)共同進(jìn)行VM的研究。A virtual workshop for Design by Manufacturing (University of Bath,OK) MOSES(Model Oriented Simultaneous Engineering System,Univ.of Leeds and Loughborough University of Technology,OK) Virtual Manufacturing Group(Herriot-Watt University,OK) Virtual Factory for Education (Pohjois-savo polytechnic,Finland) 在日本、目前也已形成了以大阪大學(xué)為中心的研究開發(fā)力量，主要正在進(jìn)行VM系統(tǒng)的建模和仿真技術(shù)的研究，并開發(fā)出了虛擬工廠的構(gòu)造環(huán)境VirtualWorks。 4、VM的應(yīng)用領(lǐng)域 VM的實(shí)現(xiàn)將會(huì)對(duì)制造業(yè)中日益自動(dòng)化、復(fù)雜化、大規(guī)模化的制造系統(tǒng)進(jìn)行更為詳細(xì)的設(shè)計(jì)、仿真及評(píng)價(jià)，并能夠?qū)崿F(xiàn)在信息空間里對(duì)大規(guī)模、復(fù)雜，隨時(shí)間變化的生產(chǎn)系統(tǒng)給予明確的“規(guī)定”、“推定”、“預(yù)測(cè)”，其主要應(yīng)用領(lǐng)域有以下幾方面： (1) 設(shè)計(jì)、生產(chǎn)規(guī)劃 通過(guò)VM的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)（包括系統(tǒng)組成、功能、動(dòng)作）的更為詳細(xì)的、多方位、拓整個(gè)生命周期下的設(shè)計(jì)和計(jì)劃。 (2) 工廠運(yùn)轉(zhuǎn) 未來(lái)的工廠將是一個(gè)信息化的工廠，VM系統(tǒng)可很方便地接受，處理工廠中的各種信息，并可做出適當(dāng)?shù)慕忉屢约皩?shí)現(xiàn)對(duì)工廠狀態(tài)監(jiān)測(cè)及異常診斷。 (3) 生產(chǎn)預(yù)測(cè) VM系統(tǒng)可以在實(shí)際生產(chǎn)之前、實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的預(yù)測(cè)，包括交貨期、生產(chǎn)產(chǎn)量、質(zhì)量、設(shè)備狀態(tài)等。 (4) 生產(chǎn)教育 實(shí)現(xiàn)對(duì)工廠生產(chǎn)人員的操作訓(xùn)練，異常工藝時(shí)的應(yīng)急處理訓(xùn)練等，另外，對(duì)于不具備大規(guī)模生產(chǎn)設(shè)備的大學(xué)，可以進(jìn)行生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，運(yùn)轉(zhuǎn)等練習(xí)。 虛擬制造系統(tǒng)將使設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、信息處理及其各自相關(guān)的領(lǐng)域更加緊密地結(jié)合起來(lái)，所要實(shí)現(xiàn)的制造系統(tǒng)將更具有柔性、更富有效率，同時(shí)也將會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)通信、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)，人工智能等關(guān)聯(lián)技術(shù)的發(fā)展。最終實(shí)現(xiàn)提高制造業(yè)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的目標(biāo)。 主要參考文獻(xiàn) 1.Owen,J.V.,1994,Making Virtual Manufacturing Real,Manufacturing Engineering,Vol.113, No.5,33-37. 2.Technical Report of Virtual Manufacturing User Workshop,Dayton,Ohio,12-13,July,1994 3.Onosato,M.,Iwata,K.,Development of a Virtual Manufacturing System by Integrating Product Models and Factory Models,Annals of the CIRP,Vol,42,No.1,(1993),475-478. 4.Iwata,K.,Onosato,M., osaki,s.,A modelling and simulation architecture for Virtual manufacturing systems.Annals of the CIRP,Vol,44,(1995),399-402. 5.Kimura,F.,Product and process M