分布式虚拟制造系统的框架体系.docx

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分布式虚拟制造系统的框架体系

分布式虚拟制造系统的框架体系姚　健　严隽琪　傅仕伟　蒋祖华　马登哲　　

摘要　指出了分布式虚拟制造的技术特性；以上海市科委重大科技攻关项目“SAMTC—DVMS”系统为背景，介绍了该系统的三维框架体系，着重分析了分布式虚拟制造的两个核心功能：

并发活动控制和分布式信息流管理；并提出了分布式虚拟制造的下一步研究方向。

关键词　分布式虚拟制造　并发活动　分布式信息流　虚拟产品开发　　

中国图书资料分类法分类号　TH12　　

自从Nagel和Dove［1］提出动态联盟和敏捷制造的思想以来，人们就开始描绘21世纪制造业的前景。

作为先进制造技术之一的分布式制造（DistributedManufacturing,DM），是实施敏捷制造的关键技术之一，是动态联盟下的产品开发模式，也是虚拟制造技术的重要组成部分。

所谓分布式制造［2］，是指具有不同生产规模和能力的、处于不同地域上的、使用不同应用工具平台的各联盟厂家（盟员）建立面向产品开发的暂时合作关系，以最快的速度提供高质量、低成本、易使用的市场需求产品；其间，不同盟员内的相关工程技术人员借助网络异地进行产品开发的全部活动，所以分布式制造又称异地制造。

当分布式制造所涉及的数据和应用属于某一个虚拟制造系统时，这时的分布式制造演变为分布式虚拟制造（DistributedVirtualManufacturing,DVM）。

1　分布式虚拟制造的技术特性　　

分布式制造大大不同于企业间的现行合作方式，它是信息时代制造业的一次革命。

就产品开发过程而言，与传统的合作方式相比，分布式制造的优点［3］如下：

①可以实时地在线决定合作厂家；②设计产品时就可以考虑潜在供应商的产品开发能力；③计算机辅助手段的介入能简化择盟过程、缩短择盟时间；④基于Internet/Intranet的信息交互更快捷、方便；⑤盟友合作关系建立在开放式的平等基础上；⑥由合作关系决定的分布式制造系统的生命周期取决于产品的开发过程。

DVM又在DM的基础上更进一步，它兼有DM和VM的共同优点：

（1）人员分布的广域性　通过Internet/Intranet连接的虚拟制造系统内的工程技术人员位于不同的地址上；　　

（2）虚拟资源的分布性　工程人员共享虚拟产品开发所需的数据、知识、资源信息；　　

（3）仿真工具的分散性　工程人员可以使用位于不同网络终端上的工程应用工具和仿真工具；　　

（4）虚拟指令的远程性　工艺师可遵照远程指令进行工艺修改和版本维护；　　

（5）知识领域的多样性　各领域工程师可对产品设计方案及其修改方案对本领域的影响进行仿真评价。

2　DVM的核心功能　　

DVM系统有2个核心的处理对象：

并发活动和分布式信息流。

相应地，DVM系统的核心功能也有2个：

并发活动控制和分布式信息流管理（见图1）。

2.1　并发活动控制　　

在DVM系统的控制下，虚拟产品开发活动不再是一个单步式的、严格串行的顺序过程，这是一项并行工程，而且是分布式的并行工程。

这其中存在着两方面的特性：

（1）虚拟制造资源的共享冲突　在DVM系统的虚拟产品开发过程中，这些虚拟制造资源不再为某个项目成员所占有，而是产品开发小组内有权限的成员均可访问。

这样，虚拟制造资源的状态不再取决于某个成员干涉的结果，而可以是多个分布式成员的活动共同干预的结果。

（2）开发活动的并发运行　在虚拟产品开发的某个时刻，系统内可以存在着众多同步、异步、穿插的活动。

这时，系统不再简单地顺序执行某个成员的活动指令。

也就是说，一个成员的某部分指令结束后，系统不一定立即执行其后的指令，而有可能转而执行其他成员的某些指令。

虚拟制造资源共享和开发活动的并发运行，使得DVM系统的工作情况变得相当复杂，这种复杂性尤其表现在同步、异步、穿插活动的相对独立性和约束方面。

由于活动的目的不同，DVM系统中的各个并发活动都有一定的独立性；另一方面，同一系统中各个并发活动又存在着一定的约束关系。

经过研究，我们发现并发活动的控制机理可由以下几个方面保证：

（1）活动内容的定义　包括活动的目标、活动的被处理信息、活动的功能、用户对活动的权限、活动在产品开发过程中的逻辑位置等。

（2）基于状态描述的活动生命周期　如准备状态、运行状态、待善后处理状态、暂停状态、睡眠状态。

（3）活动间约束关系的描述　如时序关系、功能替代关系、资源竞争关系、前后触发关系、父子生成关系。

（4）活动的控制技术　主要对来自外部（用户）和内部（活动）的请求进行管理，通过分析请求所提交的问题，规划目标，并据此目标选择合适的活动。

活动的控制技术包括虚拟制造资源的冲突控制、多用户的并发活动控制、知识库控制。

2.2　分布式信息流管理　　作为DVM系统的信息管理基础结构的分布式信息流管理是一项综合性的数据管理技术，它区别于以往工程数据管理仅局限于设计与工程部分，而是从DVM系统下虚拟产品开发过程的信息流动出发，通过集中手段管理虚拟产品开发过程中的所有相关分布性的信息流、虚拟物流、决策流，同时对这些信息流进行演化、分解、合并等操作，并决定其下一步流向。

分布式信息流管理为DVM系统提供了信息的宏观和微观管理及控制手段，它可在虚拟产品开发过程中，提高工作人员的工作效率和系统运行效率，能及时地给决策者提供全面、可靠的前瞻预测以支持企业决策。

分布式信息流管理区别于工作流管理，它不是仅局限于规划、调度和监视产品开发的工作流，以期在正确的工作流节点上获得正确的信息和资源，而是要从产品开发的两个方向，即广义地域轴（信息的地域和人员分布性）和广义时间轴（信息流动过程的时序性），进行分布式对象技术支持下的广义网状信息流管理。

因此，对信息流中任一个特定信息集都可以用两个坐标进行定位：

广义地域坐标和广义时间坐标。

相应地，DVM系统中分布式信息流的逻辑功能就可以有以下5个基本处理单元保证：

（1）分解单元　将一个信息集分解成位于不同坐标上的若干个信息集；　　

（2）合成单元　将若干具有不同坐标的信息合成到一个一定坐标下的信息集；　　

（3）演绎单元　变更一个信息集的坐标位置或改变信息集内的信息构成；　　

（4）注入单元　在DVM系统的一定坐标点上从外部环境加入一个信息集；　　

（5）抽取单元　将一个信息集从它所在的系统坐标点上删除。

3　SAMTC—DVMS系统　　“SAMTC—DVMS”系统是由上海市科委立项的重大科技攻关项目。

该系统根据我国现有国情，以快速、低廉的网络集成技术确立了适用于机械制造业的Internet/Intranet信息集成框架；通过对分布式的并发活动进行分析，为DVM系统提供了协同技术支持；在系统设计过程中，兼用了Web技术、网络Java编程技术，从而改变了传统网络信息查询的静态性，基于分布式动态信息库的信息流管理实现了DVM的环境需求。

该系统已在由上海先进制造工程技术研究中心与上海飞机制造厂建立的动态联盟内进行了虚拟事务模拟，初步实现了制造信息和应用的共享，如多应用文档和多文档类型的异地交互传输，项目管理、协同工作所需数据的维护，支持强交互性的群体活动和应用的实时响应，设计/工艺/制造方案的远程/本地版本维护，产品开发小组的在线讨论、网络会议等。

图2是“SAMTC—DVMS”系统的三维框架体系。

图中水平轴（具体化过程）沿箭头方向，对信息层和活动层进行具体化，形成虚拟制造系统中的组织管理体系，其中信息层管理分布式信息流，活动层进行并发活动控制。

垂直轴（生成过程）从视角出发，将DVM系统中的信息层、活动层、组织层又分别规划为3个视图：

功能视图（包括项目管理、并发活动控制和分布式信息流管理）、工具视图（包括项目管理工具、活动定义和控制工具以及信息流定义和管理工具）、传输视图（包括项目控制总线、活动控制总线和信息流控制总线）。

前后轴（扩展过程）完成对DVM系统中不同盟员的定义，并确定他们在DVM系统中的角色，如盟主、设计盟友、制造盟友等，其中每个盟员都有一个由生成过程轴和具体化过程轴组成的平面层，但是由于他们在产品开发过程中的任务不同，其所具有的视图和层次的内涵也将不同，不同企业层的有机合作组成了DVM系统的产品开发活动。

4　展望　　

“SAMTC—DVMS”系统确立了在中国实施DVM技术的可行性。

对DVM而言，下一步的主要工作如下：

①分布式虚拟环境下的设计/制造的优化方法。

DVM系统应在分布式信息流管理的基础上，考虑盟员的能力、容量、资源的可获得性、制造成本，加强项目管理的功能，支持企业相关业务流程的定义与优化。

②面向技术保密的核心知识/数据的封装和安全性维护。

我们希望“SAMTC—DVMS”系统能为国内同行对DM和VM的研究提供初步、可行的实践基础。

可以预见，一旦DVM技术得到成功，它必将与并行工程、动态联盟、敏捷制造、智能制造技术一起，将下一个世纪的中国制造业提高到前所未有的新高度。

*国家自然科学基金资助项目（59785006）、上海市科委重大科技攻关项目

作者简介：

姚　健　男，1971年生。

上海交通大学（上海市　200030）CIM研究所博士研究生。

主要研究方向为集成化CAPP、虚拟制造、异地设计和制造网络。

严隽琪　傅仕伟　蒋祖华　马登哲　上海市　200030　上海交通大学作者单位：

姚　健　上海交通大学（上海市　200030）　　　　　

参考文献

1　NagelR,DoveR.21stCenturyManufacturingEnterpriseStrategy，anIndustry-ledView.TechnicalReport.LehighUniversity,Bethlehem,Pennsylvania,USA,1991.

2　LawrenceAssociatesInc.ContributiontoVirtualManufacturingBackgroundResearch.TechnicalReport.VirtualManufacturingUserWorkshop，Dayton,Ohio,1994:

12～13

3　NauD,BallM,GuptaSetal.DesignforManufacturebyMulti-EnterprisePartnerships:

CurrentStatusandFutureDirections.ASMEWinterAnnualMeeting,NewYork,USA,1994：

287～299

虚拟制造技术

虚拟制造的定义

1.虚拟制造是这样一个概念

    即与实际一样在计算机上执行制造过程，其中虚拟模型是在实际制造之前用于对产品的功能及可制造性的潜在问题进行预测。

（GloriaJ.Wiens,UniversityofFlorida）

定义2：

虚拟制造是仿真、建模和分析技术及工具的综合应用，以增强各层制造设计和生产决策与控制。

（USAirForceWrightLab.）

定义3：

虚拟制造是一个用于增强各级决策与控制的一体化的、综合性的制造环境。

（EdwardLin&etc,UniversityofMaryland）

定义4：

虚拟制造是利用虚拟现实技术将各种与制造相关的技术集成起来的研究领域，其范围包括从各种设计子功能，如绘图、有限元分析以及原型生成的集成到对企业内的各种功能，如计划、加工、控制的集成。

（ChetanSguklaetal.,Departmentofindustrial&systemengineering,FloridaInternationalUniversity,1996）

定义5：

虚拟制造是提供“在计算机上制造”的能力。

本质上，虚拟制造最终将提供建模与仿真环境，其能力足以使任何产品的加工/装配，包括有关的制造过程，可在计算机上仿真。

（LawrenceAssociateInc.）

定义6:

∙      虚拟制造是利用仿真与虚拟现实技术，

∙      在高性能计算机及高速网络的支持下，采用群组协同工作，

∙      通过模型来模拟和预估产品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的问题，实现产品制造的本质过程，包括产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验，并进行过程管理与控制。

∙      走出仅仅依赖经验的狭小天地，发展到全方位预报阶段

定义7:

Kimura等提出了以下途径并将之称为虚拟制造：

o           在相关理论和已积累知识的基础上对制造知识进行系统化组织；

o           在以上分析活动的基础上，对工程对象和制造活动进行全面建模；

o           在建立真实制造系统前，采用计算机仿真来评估设计与制造活动；

o           由以上评估来消除不合理结果；

o           对模型进行日常维护来实现高质量的仿真。

2、虚拟制造技术的背景

自七十年代以来，世界市场由过去传统的相对稳定逐步演变成动态多变的特征，由过去的局部竞争演变成全球范围内的竞争；同行业之间、跨行业之间的相互渗透、相互竞争日益激烈。

为了适应变化迅速的市场需求，为了提高竞争力，现代的制造企业必须解决TQCS难题，即以最快的上市速度（T--TimetoMarket），最好的质量（Q--Quality），最低的成本（C--Cost），最优的服务（S--Service）来满足不同顾客的需求。

与此同时，信息技术取得了迅速发展，特别是计算机技术，计算机网络技术，信息处理技术等取得了人们意想不到进步。

二十多年来的实践证明，将信息技术应用于制造业，进行传统制造业的改造，是现代制造业发展的必由之路。

80年代初，先进制造技术以信息集成为核心的计算机集成制造系统（CIMS，ComputerIntegratedManufacturingSystem）开始得到实施；80年代末，以过程集成为核心的并行工程（CE，CocurrentEngineering）技术进一步提高了制造水平；进入90年代，先进制造技术进一步向更高水平发展，出现了虚拟制造（VM，VirtualManufacturing）、精益生产（LP，LeanProduction）、敏捷制造（AM，AgileManufacturing）、虚拟企业（VE，VirtualEnterprise）等新概念。

下图描述了各种制造哲理在活动空间（Space）和柔性范畴（Flexibility）方面的比较，以及制造观念的不断变化和信息技术应用的发展。

可以预计，在未来的知识经济社会里，制造业信息化和知识化是一种必然的发展趋势。

在这些诸多新概念中，“虚拟制造”引起了人们的广泛关注，不仅在科技界，而且在企业界，成为研究的热点之一。

原因在于，尽管虚拟制造的出现只有短短的几年时间，但它对制造业的革命性的影响却很快地显示了出来，已经出现了许多成功的应用范例。

由于虚拟制造系统基本上不消耗资源和能量，也不生产实际产品，而是产品的设计、开发与实现过程在计算机上的本质实现，与实际制造相比较，它具有如下主要特征：

1.     高度集成

产品与制造环境是虚拟模型，在计算机上对虚拟模型进行产品设计、制造、测试，甚至设计人员或用户可“进入”虚拟的制造环境检验其设计、加工、装配和操作，而不依赖于传统的原型样机的反复修改。

因此，应综合运用系统工程、知识工程、并行工程系统仿真和人-机工程等多学科先进技术，实现信息集成、知识集成、串并行交错工作机制集成和人-机集成；

2.     支持敏捷制造

开发的产品（部件）可存放在计算机里，不但大大节省仓储费用，更能根据用户需求或市场变化快速改型设计，快速投入批量生产，从而能大幅度压缩新产品的开发时间，提高质量，降低成本；

3.     分布合作

可使分布在不同地点、不同部门的不同专业人员在同一个产品模型上同时工作，相互交流，信息共享，减少大量的文档生成及其传递的时间和误差，从而使产品开发以快捷、优质、低耗响应市场变化。

因此，近几年，工业发达国家均着力于虚拟制造的研究与应用。

在美国，NIST（NationalInstituteofStandardsandTechnology）正在建立虚拟制造环境（称之为国家先进制造测试床,NationalAdvancedManufacturingTestbed，NAMT）,波音公司与麦道公司联手建立了MDA（MechanicalDesignAutomation），在德国，Darmstatt技术大学Fraunhofer计算机图形研究所，加拿大的Waterloo大学，比利时的虚拟现实协会等均先后成立了研究机构，开展虚拟制造技术的研究。

由于“虚拟制造”概念出现才几年时间，目前还缺乏从产品生产全过程的高度开展虚拟制造技术的系统研究。

例如，虚拟制造的内涵是什么？

它包涵哪些关键技术？

如何建立集产品研究、设计、工艺、制造、标准、资源共享、技术共享、信息传递、市场需求、系统控制于一体的虚拟制造环境？

这些仍然是世界各国研究人员正在研究和探讨的问题。

3、虚拟制造的研究任务

虚拟制造所涉及到的内容非常广泛，其中某些技术和软件可以借用，但大量的技术需要研究和攻关，如支持产品设计与开发的数字化产品模型定义，异构模型的集成与重用，模型的检验与致效，面向产品及零件模型的建立，高精度测量方法与数据处理，虚拟加工，虚拟装配工艺，虚拟装配公差分配等等，这些技术涉及的学科广泛，覆盖机械设计与工程，自动控制理论与工程，计算机网络与数据库等学科领域，需要多学科联合攻关研究才能取得期望的成果。

目前国内外对虚拟制造的研究主要集中在下列方面：

3.1虚拟产品建模技术研究

∙      基于元（META）建模的模型集成、重用、“衍生”等技术

∙      支持概念设计的产品功能模型

∙      开放式建模框架与体系结构

3.2产品创新设计支撑技术研究

∙      正向设计

基于QFD的产品方案设计技术

三级递进模式的概念设计技术

∙      逆向设计

面向实物样机的机理反求技术

带有随机误差的测量数据处理技术

基于光顺样条方法和神经元网络技术的曲线、曲面拟合技术

残缺数据修复技术

计算机辅助工业设计

制定试验条件和试验规范；

选择和完善试验台及相应测试仪表及精度；

3.3产品样机数字化技术研究

∙      支持虚拟产品开发（VPD,VirtualProductDevelopment）全过程的产品数字模型的数据组织与管理技术

∙      面向设计、装配、生产的产品数字模型的映射技术

∙      基于META模型的产品结构及性能优化技术

∙      建立基于PDM的产品样机数字化支持系统，开发剑杆织机数字化样机

3.4虚拟产品制造过程的仿真技术研究

∙      集成化刀位轨迹检查、NC代码验证、碰撞干涉检验系统

∙      基于表面质量分析的切削参数选择技术

∙      基于应力的加工质量评价技术

∙      装配信息建模、工艺过程规划与仿真、公差分析与综合技术

∙      虚拟测量技术，包括虚拟仪器、测量过程仿真、测试数据管理等

∙      开发集成化仿真分析平台，实现剑杆织机的一体化仿真

3.5建立支持虚拟产品开发全过程的集成化VPD系统

∙      基于PDM的虚拟产品创新设计系统

∙      产品样机数字化支持系统

∙      集成化仿真分析平台的集成技术

∙      VPD系统与实际产品开发的集成化3C系统的集成

4、虚拟制造的应用范例

以下是一些虚拟制造技术应用的成功例子。

∙      波音777 全面应用VM技术其整机设计、部件测试、整机装配以及各种环境下的试飞均是在计算机上完成的，使其开发周期从过去8年时间缩短到5年，甚至在一架样机未生产的情况下就获得了订单。

∙      欧洲空中客车 一改过去的传统产品研制及开发方法，采用虚拟制造及仿真技术，把空中客车试制周期从4年缩短为2.5年，不仅提前投放市场，而且显著降低了研制费用及生产成本，大大增强了全球竞争能力。

∙      PerotSystemTeam 利用DenebRobotics开发的QUEST及IGRIP设计与实施一条生产线，在所有设备订货之前，对生产线的运动学、动力学、加工能力等各方面进行了分析与比较，使生产线的实施周期从传统的24个月缩短到9.5个月。

∙      Ford和克莱斯勒公司 Chrysler公司与IBM合作开发的虚拟制造环境用于其新型车的研制，在样车生产之前，发现其定位系统的控制及其他许多设计缺陷，缩短了研制周期。

由于实施了虚拟产品开发策略，Ford和Chrysler将他们新型汽车的开发周期由36个月缩短至24个月。

∙      波音-西科斯基公司 在设计制造RAH-66直升机时，使用了全任务仿真的方法进行设计和验证，通过使用数字样机和多种仿真技术，花费4590小时仿真测试时间，却省却了11590小时的飞行时间，节约经费总计6.73亿美元，获得了巨大收益。

同时，数字式设计使得所需的人力减到最少，在CH-53E型直升机设计中，38名绘图员花费6个月绘制飞机外形生产轮廓图，而在RAH-66中，一名工程师用一个月就完成了。

∙      通用电动机车部（GeneralMotorsElectroMotiveDivision，EMD） 1997年，利用UGII软件，建成了第一个完全数字化的机车样机模型，并围绕这个数字模型并行地进行产品设计、分析、制造、夹模具工装设计和可维修性设计。

∙      日本日产汽车公司 1998年与SDRC公司签定总额超过1亿美元的特大合同，购买软件、服务与实施，主要用于面向21世纪的新车型——数字样车的开发。

日产汽车公司计划在贯穿汽车生产的全过程中，利用概念设计支持工具、包装设计软件、覆盖件设计、整车仿真分析、数字样机及物理样机的生产等。

∙      GIDDING&LEWIS机床制造公司 精密机床在线仿真控制研究及环境