虚拟制造的基本概念及研究开发动向

虚拟制造的基本概念及研究开发动向发表时间：2006-2-8牛占文，徐燕申，岩田一明，小野里雅彦来源：中国机械网虚拟制造作为21世纪制造技术的核心，已受到了世界各国的高度重视。本文从信息变换等价性的观点、分析了虚拟制造系统与真实生产系统的相互对应关系，探讨了虚拟制造的基本概念，介绍了国际主要研究动向及应用领域。1、虚拟制造的基本概念虚拟制造（VirtualManufacturing:VM）的研究与开发利用已引起各国的高度重视，尤其是欧美、日本等工业发达国家，竟相投入大量人力，物力进行VM的研究与开发。什么是虚拟制造，目前各国学术者尚未形成统一的认识，笼统的理解是：在计算机内构造虚拟的生产系统模型，进行实际生产过程的模拟。本文将从信息变换等价性的观点出发，分析VM系统与实际生产系统的相互对应关系，探讨VM的基本概念，并介绍目前国际上虚拟制造研究的方法、手段、研究开发的动向及VM的广阔应用前景。1.1实际制造与虚拟制造如图1（a）所示，实际生产系统具有对“物质”、“信息”、“能源”进行转换的功能，即投入原材料、生产、信息电力等能源，制造出所需要的产品及与产品相关的信息，并排放出作为副产品的余热等能源。通常把在生产系统内进行的上述转换活动称为制造。由此，VM可以理解为：将实际生产中的“物质”和“能源”信息化，针对实际生产系统中的信息及被信息化的“物质”和“能源”实现与实际生产在信息上的等价转换，这样的转换形式称为虚拟制造（如图1（b）），即VM过程虽然没有制造出实际产品，但却生成了有关产品的信息及制造产品所需的信息。图2进一步表明了实际生产与虚拟制造的关系。R1、R2表示真实生产实施前后的状态，V1是将R1信息化处理后的模型，V2是拟实制造系统信真后的结果。R2与V2在信息上应是等价的。图1实际生产与虚拟制造的定义图2实际生产的信息化与仿真1.2虚拟制造系统基于信息变换等价性的实际生产系统和虚拟制造系统，在概念上也可进一步被看成是由“物理系统”和“信息系统”组成的，即生产系统内部存在着设备原材料、产品等物理实体和生产计划、任务书、产品性能要求等信息实体。由物理实体构成的部分称为“物理系统”（PhysicalSystem）；由信息实体构成的部分称为“信息系统（Informationsystem）”、即生产系统由实施制造的物理系统和对物理系统进行管理（包括计划、控制）的信息系统构成。工厂的生产车间可被看作物理系统，而生产管理部门则可被认为是信息系统的一部分。物理系统和信息系统又可分为真实物理系统（RealPhysicalSystem:RPS）、虚拟物理系统（VirtualPhysicalSystem:VPS）和真实信息系统（RealInformationSystem:RIS）、拟实信息系统（VirtualInformationSystem:VIS）。如果假定虚拟的物理和信息系统存在则有：(1)真实物理系统（RPS）＋真实信息系统（RIS）：现实的生产系统(2)真实物理系统（RPS）＋虚拟信息系统（VIS）：生产计划、管理的部分为虚拟的生产系统、例如，用计算机对已建成的工厂进行动转试验。(3)虚拟物理系统（VPS）＋真实信息系统（RIS）：实施生产的部分为虚拟系统的生产系统、可以对新工厂的建议方案进行事先评价。(4)虚拟物理系统（VPS）＋虚拟信息系统（VIS）：在计算机内建立物理系统和信息系统的模型、基于模型通过仿真实现的生产系统。虚拟制造系统必须是在上述组合系统中，至少有一个是虚拟系统。2、虚拟制造系统的形式与研究方法从虚拟制造系统的形式看，可分为以下两种形式：(1)计算机仿真构造有关生产的计算机内部模型，通过仿真实现虚拟制造。特点：生产设备、工厂组织、产品均是虚拟的。(2)遥控制造由计算机网络将载域上分散的生产设备结合起来，进行集成管理和运行。特点：生产设备和产品是实际存的，而工厂组织是假想（虚拟）的、从研究的方法手段来看，主要有以下六种形式：产品建模特点：以产品模型设备模型为核心、进行产品设计、工艺设计、生产调度、设备布局、控制等的仿真。生产过程仿真特点：对切削装配等生产过程进行仿真。设备仿真特点：机器人等生产设备离线仿真、动态特性分析和模拟。物流仿真特点：物流规划、AGV（自动般运等）仿真等。机器控制特点：遥控操作，虚拟制造设备（VirtualManufacturingDevice:VMD）开放式系统控制器（OpenSystemController）等。人工虚拟现实特点：用计算机图形（CG）及虚拟现实技术，使操作者身临虚拟制造系统，以进行操作训练。3、虚拟制造的研究开发动向在美国、目前已形成了由政府、产业界、大学组成的多层次，多方位的综合研究开发力量。VM已被作为增强产业的国际竞争力的重要手段，由政府支持的研究，开发及商品化正在加紧进行。主要项目有：TEAM(TechnologiesEnablingAgileManufacturing,Dept.ofEnergy).NAMT(NationalAdvancedManufacturingTestbed).SIMA(AdvancedManufacturingSystemsandNetworkingTestbed).NIIIP(NationalIndustrialInformationInfrastrclctureProtocols,NIST).MAVE(theMetricesfortheAgileVirtualEnterprise,DARPA).ManTech(DoDManufacturingTechnologyProgram,Dept.ofDefense).TheJAST(JointAdvancedstrikeTechnology).FastTrackProgram(USAirForce).以产业界团体为中心进行的作为VM基础的VM系统建模及标准经项目主要有：SEMI(SemiconductorEquipmentandMaterialsInternational)SECSI/II(SEMIEquipmentCommunicationStandardI/II)HSMS(High-speedSECSMessage)GEM(GenericEquipmentMoldel)VFEI(VirtualFactoryEquipmentInterface)OMG(ObjectManagmentGroup)CORBA(CommonObjectRequestBrokerArchitecture)ATARI(AgileTextile-AppraleResearchInitiative)SME(SocietyofManufacturingEngineers)CONDUIT(CooperativeNetworkforDual-useInformationTedinology)美国的众多大学及研究机构、则把VM看作21世纪生产的核心，纷纷从不同方面对VM进行研究。PurdueUniversity:projectSONOMA(WWWbasedVirtualFactory)IowaStateUniversity:VirtualFactoryProjectLehighUniversity:MAVEProject(WithDARPA)WashingtonstateUniversity:VirtualEnvironmentforDesignandManufacturingMIT:LeadersforManufacturingprojectMarylandUniversity:DatabaseofWirtualManufacturingprojectsUniversityofIllinoisatChicago:FactoryModelsUsingVR(WithNIST)在欧洲、许多大学及研究机构通过相互间的合作，并联合企业共同进行VM的研究。AvirtualworkshopforDesignbyManufacturing(UniversityofBath,OK)MOSES(ModelOrientedSimultaneousEngineeringSystem,Univ.ofLeedsandLoughboroughUniversityofTechnology,OK)VirtualManufacturingGroup(Herriot-WattUniversity,OK)VirtualFactoryforEducation(Pohjois-savopolytechnic,Finland)在日本、目前也已形成了以大阪大学为中心的研究开发力量，主要正在进行VM系统的建模和仿真技术的研究，并开发出了虚拟工厂的构造环境VirtualWorks。4、VM的应用领域VM的实现将会对制造业中日益自动化、复杂化、大规模化的制造系统进行更为详细的设计、仿真及评价，并能够实现在信息空间里对大规模、复杂，随时间变化的生产系统给予明确的“规定”、“推定”、“预测”，其主要应用领域有以下几方面：(1)设计、生产规划通过VM的应用，实现生产系统（包括系统组成、功能、动作）的更为详细的、多方位、拓整个生命周期下的设计和计划。(2)工厂运转未来的工厂将是一个信息化的工厂，VM系统可很方便地接受，处理工厂中的各种信息，并可做出适当的解释以及实现对工厂状态监测及异常诊断。(3)生产预测VM系统可以在实际生产之前、实现对生产过程的预测，包括交货期、生产产量、质量、设备状态等。(4)生产教育实现对工厂生产人员的操作训练，异常工艺时的应急处理训练等，另外，对于不具备大规模生产设备的大学，可以进行生产系统的设计，运转等练习。虚拟制造系统将使设计、生产、管理、信息处理及其各自相关的领域更加紧密地结合起来，所要实现的制造系统将更具有柔性、更富有效率，同时也将会进一步促进通信、网络、数据库，人工智能等关联技术的发展。最终实现提高制造业国际竞争力的目标。主要参考文献[1].Owen,J.V.,1994,MakingVirtualManufacturingReal,ManufacturingEngineering,Vol.113,No.5,33-37.[2].TechnicalReportofVirtualManufacturingUserWorkshop,Dayton,Ohio,12-13,July,1994[3].Onosato,M.,Iwata,K.,DevelopmentofaVirtualManufacturingSystembyIntegratingProductModelsandFactoryModels,AnnalsoftheCIRP,Vol,42,No.1,(1993),475-478.[4].Iwata,K.,Onosato,M.,osaki,s.,AmodellingandsimulationarchitectureforVirtualmanufacturingsystems.AnnalsoftheCIRP,Vol,44,(1995),399-402.[5].Kimura,F.,ProductandprocessModellingasakernelforVirtualManufacturingEnvironment,AnnalsofCIRP,Vol,42,No.1(1993),147-150[6].Onosato,M.,Iwatu,K.,1992,”VirtualWorks:buildingaVirtualFactorywith3-DModellingandobjectorientedprogrammingTchniques”,Proc.IFAC-INCOM’92,281-286.