[文章]试论中国虚拟制造技术发展战略

１ 虚拟制造技术界定与内涵　
　
　　虚拟现实（Ｖｉｒｔｕａｌ　Ｒｅａｌｉｔｙ）技术是使用感官组织仿真设备和真实或虚幻环境的动态模型生成或创造出人能够感知的环境或现实，使人能够凭借直觉作用于计算机产生的三维仿真模型的虚拟环境。基于虚拟现实技术的虚拟制造（Ｖｉｒｔｕａｌ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）技术是在一个统一模型之下对设计和制造等过程进行集成，它将与产品制造相关的各种过程与技术集成在三维的、动态的仿真真实过程的实体数字模型之上。其目的是在产品设计阶段，借助建模与仿真技术及时地、并行地、模拟出产品未来制造过程乃至产品全生命周期的各种活动对产品设计的影响，预测、检测、评价产品性能和产品的可制造性等等。从而更加有效的、经济的、柔性的组织生产，增强决策与控制水平，有力地降低由于前期设计给后期制造带来的回溯更改，达到产品的开发周期和成本最小化、产品设计质量的最优化、生产效率的最大化。　

    虚拟制造技术的研究内容是极为广泛的，除了虚拟现实技术涉及的共同性技术外，虚拟制造领域本身的主要研究内容有：虚拟制造的理论体系；设计信息和生产过程的三维可视化；虚拟环境下系统全局最优决策理论和技术；虚拟制造系统的开放式体系结构；虚拟产品的装配仿真；虚拟环境中及虚拟制造过程中的人机协同作业等。一般来说，虚拟制造的研究都与特定的应用环境和对象相联系，由于应用的不同要求而存在不同的侧重点，因此出现了三个流派，即以设计为中心的虚拟制造、以生产为中心的虚拟制造和以控制为中心的虚拟制造。以设计为中心的虚拟制造是通过增加制造信息到集成产品开发过程中并在计算机中仿真多种制造方案，为设计者提供一个设计产品和评估产品可制造性的环境。以生产为中心的虚拟制造是通过增加仿真能力到生产过程模型，达到方便和快捷地评价多种加工过程的目的。它为工艺计划和生产计划的生成、工艺资源的要求以及对这些计划的评价提供了一个环境。以控制为中心的虚拟制造是通过增加仿真到控制模型和实际的生产过程，模拟实际的车间生产，评估车间生产活动，达到优化制造过程的目的。　

２ 发展虚拟制造技术的意义

      虚拟制造也可以对想象中的制造活动进行仿真，它不消耗现实资源和能量，所进行的过程是虚拟过
程，所生产的产品也是虚拟的。虚拟制造技术的应用将会对未来制造业的发展产生深远影响，它的重大作用主要表现为：　

    （１）运用软件对制造系统中的五大要素（人、组织管理、物流、信息流、能量流）进行全面仿真，使之达到了前所未有的高度集成，为先进制造技术的进一步发展提供了更广大的空间，同时也推动了相关技术的不断发展和进步。　

    （２）可加深人们对生产过程和制造系统的认识和理解，有利于对其进行理论升华，更好地指导实际生产，即对生产过程、制造系统整体进行优化配置，推动生产力的巨大跃升。　

    （３）在虚拟制造与现实制造的相互影响和作用过程中，可以全面改进企业的组织管理工作，而且对正确作出决策有不可估量的影响。例如：可以对生产计划、交货期、生产产量等作出预测，及时发现问题并改进现实制造过程。　

    （４）虚拟制造技术的应用将加快企业人才的培养速度。我们都知道模拟驾驶室对驾驶员、飞行员的培养起到了良好作用，虚拟制造也会产生类似的作用。例如：可以对生产人员进行操作训练、异常工艺的应急处理等。　

    （５）为敏捷制造（Ａｇｉｌｅ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）创造条件。敏捷制造是以竞争力和信誉度为基础，选择合作者组成虚拟公司，分工合作，为同一目标共同努力来增强整体竞争能力，对用户需求作出快速反应，以满足用户的需要。为了达到快速应变能力，虚拟企业的建立是关键技术，其核心是虚拟制造技术，即敏捷制造是以虚拟制造技术为基础的。　

    （６）实现绿色制造。绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式，其目标是使得产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废的整个产品生命周期中，对环境的影响（负作用）最小，资源的使用效率最高。绿色制造的提出是人们日益重视环境保护的必然选择，发展不能以环境污染为代价，国际制造业的实践表明，通过改进整个制造工艺来减少废弃物，要比处理工厂处理已经排放的废弃物大大节省开支，因此，当绿色制造发展到一定阶段时，在虚拟制造技术中必定要集成绿色制造这一部分。　

    虚拟制造技术的广泛应用将从根本上改变现行的制造模式，对相关行业也将产生巨大影响，可以说虚拟制造技术决定着企业的未来，也决定着制造业在竞争中能否立于不败之地。　

３ 虚拟制造技术支撑系统　

    虚拟制造技术是多学科综合的系统技术，需要研究开发相应的硬件集成系统与软件，就软件技术而言，相关的研究支持如下：１）可视化：真实、直观地再现主观产品与客观制造过程；２）基本环境：增强可视化和其它虚拟制造功能的集成系统平台；３）信息描述：表达各种信息，包括数据、知识和模型的统一的方法、语义、语法；４）中介模型：构造、定义、开发对过程易于中断介入的模型；５）基层集成组织结构：硬件与软件的基层组织结构；６）仿真模型：在计算机系统中设计的真实系统模型；７）应用方法；产品多样性与过程动态性的共同特征的抽象提取；８）制造特征：各种材料在虚拟制造环境中的变化过程；９）虚拟制造系统评价：可制造性、工艺性、可靠性、经济性、质量、工期等等。　　

    与硬件相关的技术有：１）输入、输出设备：基于 ＣＲＴ 和 ＬＣＤ 的头盔显示器（ＨＭＤ）、普通计算机显示器、投影系统、可视化眼镜、数据手套、数据背心、蹋滚、摇杆、触垫、耳机和音响系统等；２）信息采集、存储设备；３）能支持各种设备、数据存储和高速运算的计算机系统；４）网络体系结构（星型、环型、总线型）、通讯硬件等。　

    虚拟制造系统是各制造功能的虚拟集成，其关键技术主要包括：１）虚拟环境下的产品主模型技术：主模型是一个核心，能以此为中心通向设计、制造和生产管理等各个环节并为其提供服务。主模型具有统一的数据结构和分布式数据管理系统，它是一个可视化的数字产品模型，具有所代表的对象所具有的各种性能和特征，并能并行地处理设计分析、加工制造、生产组织与调度等各种生产环节所面临的诸多问题；２）综合可视化技术：主要包括计算机可视化技术、虚拟现实技术、多媒体技术和仿真技术；３）现实制造系统与虚拟制造系统之间的映射：虚拟设备、虚拟传感器、虚拟单元、虚拟生产线、虚拟车间、和虚拟工厂的建立，以及各种虚拟设备的重用性和重组性技术；４）虚拟制造系统集成开发平台的体系结构、构件库及用户开发环境；５）虚拟环境下分布式并行处理的分布式智能协同求解模型；６）虚拟公司的组织、调度及控制策略与技术。　　

４ 我国虚拟制造技术的 ＳＷＯＴ 分析　

    ＳＷＯＴ 是战略管理理论中常用的分析方法，Ｓ（ｓｔｒｅｎｇｔｈ）表 示 优 势 、Ｗ（ｗｅａｋｎｅｓｓ）表示劣势、Ｏ（ｏｐｐｏｒｔｕｎｉｔｙ）表示机遇、Ｔ（ｔｈｒｅａｔ）表示威胁。通过 ＳＷＯＴ 分析可以迅速了解我国虚拟制造技术的在世界上的水平，增强紧迫感和历史的责任感，从而为制定科学的发展战略奠定良好的基础。　

    目前我国在虚拟制造技术方面的发展取得了一定的成就，主要表现在：１）产品虚拟设计技术：主要包括虚拟产品开发平台、虚拟测试、虚拟装配以及机床、模具的虚拟设计实现等。其中清华大学利用美国国家仪器公司的 Ｌａｂｖｉｅｗ 开发平台实现了锁相电路的虚拟，北京机械科学研究院采用 Ｃ 语言和 ＯｐｅｎＧＬ进行编程初步实现了立体停车库的虚拟现实下的参数化设计，可以直观地进行车库的布局、设计、分析和运动模拟；２）产品虚拟制造技术：主要包括材料热加工工艺模拟、加工过程仿真、板材成型模拟、模具制造仿真等。北航与一汽用 ＯＰＴＲＩＳ 开发的板料成型软件已经基本能够模拟类似车门的中等复杂程度的汽车覆盖件和其他冲压成型件的冲压成型过程；沈阳铸造研究所开发的电渣熔铸工艺模拟软件包ＥＳＲＤ３Ｄ 已经应用于水轮发电机变曲面过流部件生产中，其产品在刘家峡、李家峡、天生桥、太平役等 ７个电站中使用；合肥工业大学研制的双刀架数控车床加工过程模拟软件已经在马鞍山钢铁股份有限公司车轮轮箍厂应用，使数控程序现场调试时间由几个班缩短到几小时，并保证一次试切成功；北京机床研究所、机械科学研究院、东北大学、上海交大和长沙铁道学院等单位也研制出一些这方面的仿真软件；３）虚拟制造系统：主要包括虚拟制造技术的体系结构、技术支持、开发策略等。其中提出了比较成熟的思想并可能实现的是由上海同济大学张曙教授提出的分散网络化生产系统和西安交通大学谢友柏院士组建的异地网络化研究中心。　

    在国外由于虚拟制造技术具有诱人的应用前景，促使发达国家对其进行深入研究。在美国已形成了由政府、产业界、大学组成的多层次、多方位的综合研究开发力量。在欧洲，许多大学和研究机构通过相互间的合作并联合企业进行虚拟制造技术的研究工作，例如：由 Ｂａｔｈ 大学进行的 Ａ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｗｏｒｋｓｈｏｐｆｏｒ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｂｙ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ研究，由Ｈｅｒｒｉｏｔ－Ｗａｔｔ大学进行的 Ｖｉｒｔｕａｌ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｇｒｏｕｐ 研究等。在日本，已经形成了以大阪大学为中心的研究开发力量，主要进行虚拟制造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。从这一点上可以看出我国与国外存在较大的差距，国外的虚拟技术是政府、科研院所和企业共同进行的，而我国很多只是集中在某一局部研究机构，产业化程度非常低。　

    例如：美国 Ｂｏｎｅｉｎｇ 公司设计的一架 ＶＳ－Ｘ 虚拟飞机，可用头盔显示器和数据手套进行观察与控制，使飞机设计人员身临其境地观察飞机设计的结果，并对其外观、内部结构及使用性能进行考察；日本Ｍａｔｓｕｓｈｉｔａ 公司开发的虚拟厨房设备制造系统，允许消费者在购买商品前，在虚拟的厨房环境中体验不同设备的功能，按自己的喜好评价、选择和重组这些设备，他们的选择将被存储并通过网络送至生产部门进行生产；美国 Ｃｏｖｅｎｔｒｙ　Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ａｒｔ　ａｎｄ　Ｄｅｓｉｇｎ开发的虚拟原型制作系统，设计者在设计的初始阶段能够在计算机中构造虚拟原型并对此原型进行评价，而我国很多都只是停留在概念阶段。　

    通过上述比较可以看出，虚拟制造技术在我国面临更多的是一种国际超常发展的挑战和威胁，虽然我国工业化的建设能够提供更大的市场空间和机遇，但是没有一个超常规的发展战略进行指导虚拟技术的发展也是非常不利的。　

５ 虚拟制造技术的发展战略　
　
（１）实施和完善基础工程　　

    虚拟制造技术的发展不是一个孤立的过程，它对基础制造技术和工程有非常严格的要求，因此发展虚拟制造技术的战略基础和前提条件就是实施和完善基础工程。主要包括：１）精益生产（Ｌｅａｎ　Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ）。精益生产要求简化生产过程，减少信息量，消除过分臃肿的生产组织，使产品及其生产过程尽可能地简化和标准化。这样做的结果对虚拟制造的建模仿真是十分有利的，即现实生产过程越简化则虚拟制造实现起来 就 越 容 易 。 ２ ） 并 行 工 程 （ Ｃｏｎｃｕｒｒｅｎｔ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）：并行工程是集成地、并行地设计产品及其相关过程（包括制造过程和支持过程）的系统方法。它要求产品开发人员在一开始就考虑产品整个生命周期中从概念形成到产品报废的所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户要求。为了达到并行的目的，必须建立高度集成的主模型，通过它来实现不同部门人员的协同工作；为了达到产品的一次设计成功，减少反复，它在许多部分应用了仿真技术；主模型的建立、局部仿真的应用等都包含在虚拟制造技术中，可以说并行工程的发展为虚拟制造技术的诞生创造了条件，虚拟制造技术将是以并行工程为基础的，并行工程的进一步发展就是虚拟制造技术。　

    （２）　以市场需求为出发点，以“甩图板”工程为契机，大力普及 ＣＡＤ 技术，帮助企业进行人员培训，提高企业人员的素质（其中包括技术水平、劳动态度、道德水平等），在 ＣＩＭＳ 成功示范企业中及时推广并行工程、敏捷制造等思想和技术，为虚拟制造技术的实现提供坚实的基础，在个别企业或部门首先实现虚拟制造。　

    （３）在技术的先进性方面，应该根据企业实际要求，不要过度追求世界领先，以解决实际问题，力争尽快创造效益，以此取得企业的支持并获得资金上的帮助，以便形成良性循环，促进研究工作的进一步开展。从单纯的技术角度看，在一个企业要实现虚拟制造，应分阶段逐步进行，不能随便超越阶段，一般可以从以下几个阶段开始：１）建立企业网和工程数据库，初步实现 ＣＡＤ、ＣＡＰＰ、ＣＡＭ 功能；２）进行信息集成，推行 ＰＤＭ 技术、特征建模技术，形成一个 ＣＡＤ、ＣＡＰＰ、ＣＡＭ 的集成系统；３）首先在设计、工艺、制造部门建立统一的产品模型，初步实现并行工程；进一步将企业管理方面的 ＭＩＳ、ＭＲＰＩＩ 与 ＣＡＤ／ＣＡＭ 系统进行集成，实现全厂范围内的信息集成，全面实现并行工程；４）在上述工作的基础上，对企业内的生产、经营等多方面的活动进行建模、仿真，实现虚拟制造。　

    （４）从企业方面看，要注重工业工程的推广应用，从管理中要效益；在行业内部，应按具有一定通用性和行业特色进行虚拟制造技术的研究，推动整个行业的发展；在整个制造业中，应抓住共性对普遍采用的技术、人员组织和生产管理等方面开展虚拟制造技术的研究，加强整个制造业的竞争力。

    （５）建立分布式网络化研究中心，协调一致进行科技攻关。所谓分布式网络化研究中心就是利用信息技术、网络技术、计算机技术对现实研究活动中的人、物、信息及研究过程进行全面的集成，在一定时期内为了共同的目标以最佳的人员和单位组合来开展科学研究工作，调动各方面的积极性通过协同工作达到研究工作的广泛开展和深入进行，缩短科研周期，增强科技成果的竞争力，也可以说分布式网络化研究中心是将现实的研究机构的职能在网络中的映射，是一种“虚拟”的工作模式。　

    （６）在政府方面，应发挥政府的协调职能，组织企业和科研部门进行多方面、多层次的合作，加强科研成果的应用推广，而且应组织多学科、跨地区的科研力量共同攻关；从宏观上加强对虚拟制造技术的指导，尽早制定符合我国国情的发展计划。