1、虛擬制造及其關(guān)鍵技術(shù)市場(chǎng)全球化使企業(yè)面臨的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手不斷增多，面臨的競(jìng)爭(zhēng)壓力日益加 重，隨著產(chǎn)品更新?lián)Q代速度的加快，交貨時(shí)刻和產(chǎn)品質(zhì)量較之于成本成 為企業(yè)參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)更為重要的手段。與此同時(shí)，由于社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和科 學(xué)技術(shù)的進(jìn)展而引起的對(duì)環(huán)境和社會(huì)因素的日益關(guān)注 ，導(dǎo)致了產(chǎn)品生命 周期概念和可持 續(xù)性工業(yè)生產(chǎn)的出現(xiàn)。面對(duì)制造環(huán)境的復(fù)雜性、制造 產(chǎn)品的復(fù)雜性以及制造本身的復(fù)雜性 （ 包括制造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和制 造過(guò)程的復(fù)雜性 ）1 的不斷提高 ，企業(yè)能否在瞬息萬(wàn)變的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中立 于不敗之地，取決于企業(yè)的整體競(jìng)爭(zhēng)能力，即取決于其能否通過(guò)信息集 成、智能集成、資源集成、技術(shù)集成、過(guò)程集成、串并行工作機(jī)制

2、集成、 組織治理集成以及人機(jī)集成實(shí)現(xiàn)分布式協(xié)同求解 ，從而使企業(yè)的運(yùn)作達(dá) 到全局最優(yōu)，資源得到合理的配置和利用，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。虛擬制造 使企業(yè)的全面集成成為可能，從而作為一種 21 世紀(jì)的新型制造策略和 方法正越來(lái)越受到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的重視。 二、虛擬制造的概念和 功能1虛擬制造的概念由于虛擬制造研究的動(dòng)身點(diǎn)、側(cè)重點(diǎn)以及應(yīng)用場(chǎng)合等方面的不同，因此存在對(duì)虛擬制造各種不同的定 義。 Kimura2 、 Onosato3 等將虛擬制造定義為現(xiàn)實(shí)制造系統(tǒng)在虛 擬環(huán)境下的映射，是針對(duì)現(xiàn)實(shí)制造環(huán)境的虛擬模型，該模型為生產(chǎn)規(guī) 劃、調(diào)度和治理提供測(cè)試環(huán)境。 ChetanShukla4 等將虛擬制造定義 為一

3、個(gè)正在進(jìn)展中的研究領(lǐng)域 ，其目的是通過(guò)虛擬 現(xiàn)實(shí)技術(shù)將各種與 制造有關(guān)的技術(shù)集成起來(lái)。 Hitchcock 等則將其定義為一個(gè)用于提高制 造企業(yè)內(nèi)各級(jí)決策和操縱能力的集成的、虛擬的制造環(huán)境。而 Nahavandi 和 Preece 對(duì)虛擬制造定義則與為 Kimura 的定義有些相 似，將其定義為差不多存在或還不存在的制造系統(tǒng)的仿真模型，該模型 具有與制造過(guò)程、過(guò)程操縱和治理以及產(chǎn)品有關(guān)的所有信息。Lin5 ,6 等認(rèn)為虛擬制造是應(yīng)用計(jì)算機(jī)模型和制造過(guò)程仿真來(lái)輔助產(chǎn)品的設(shè) 計(jì)和制造。 Iwata7 等認(rèn)為虛擬制造系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)溝通制造工程和信息基 礎(chǔ)結(jié)構(gòu)建立新型信息基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)最有希望的方法 。 KIL

4、ee 和 SDNoh8 則認(rèn)為虛擬制造系統(tǒng)是表示現(xiàn)實(shí)制造系統(tǒng)物理和邏輯結(jié)構(gòu)和特性的一 種集成計(jì)算機(jī)模型 ?；趯?duì)當(dāng)前虛擬制造研究的歸納總結(jié)和對(duì)虛擬制造的研究，我們認(rèn)為對(duì)虛擬制造的定義應(yīng)該分為 3 個(gè)層次：(1) 虛擬制造作為一種哲理、一種制造策略，為制造業(yè)的進(jìn)展指明了方 向，在制造企業(yè)組織治理、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程、資源、工作機(jī)制等諸方面集 成基礎(chǔ)之上，使其成為一個(gè)有機(jī)整體，以達(dá)到提高整體的運(yùn)作及全局最 優(yōu)決策的效能和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的目的。(2) 同時(shí)，虛擬制造作為一種現(xiàn)代制造環(huán)境下的制造理論和方法論，為 整個(gè)制造企業(yè)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程提供一種實(shí)施虛擬制造的方法 ，為實(shí)現(xiàn)企 業(yè)的全面集成提供指導(dǎo)原則、實(shí)施方法

5、和途徑。(3) 最后，虛擬制造是一種在計(jì)算機(jī)技術(shù)支持下的集成的、虛擬的制造 環(huán)境。下面本文將對(duì)這種集成的 、虛擬的制造環(huán)境的功能進(jìn)行詳細(xì)討論 。 2虛擬制造的功能要求(1) 通過(guò)虛擬制造系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)制造企業(yè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程的集成和制造企業(yè)的 全面集成依照制造企業(yè)策略，基于虛擬制造系統(tǒng)，在信息集成和功能集 成的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程的集成。通過(guò)對(duì)整個(gè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程的建 模、治理、操縱和協(xié)調(diào)，對(duì)企業(yè)資源、技術(shù)、人員進(jìn)行合理組織和配置， 面向產(chǎn)品的整個(gè)生命周期，實(shí)現(xiàn)制造企業(yè)策略與企業(yè)經(jīng)營(yíng)、工程設(shè)計(jì)和 生產(chǎn)活動(dòng)的集成 ( 縱向集成 ) 以及在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的各個(gè)時(shí)期分布式并行處 理虛擬環(huán)境下多學(xué)科小組的協(xié)同工作 (

6、 橫向集成 )，快速適應(yīng)市場(chǎng)和用戶 需求的變化，以最快的速度向市場(chǎng)和用戶提供優(yōu)質(zhì)低價(jià)產(chǎn)品。(2) 實(shí)現(xiàn)了虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)虛擬制造仿真閉環(huán)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)模式各種建模、 仿真和分析技術(shù)和工具的大量使用 ，實(shí)現(xiàn)了虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)虛擬制造仿 真閉環(huán)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)模式。虛擬制造系統(tǒng)能夠在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的各個(gè)時(shí)期，依照 用戶對(duì)產(chǎn)品的要求，對(duì)虛擬產(chǎn)品原型的結(jié)構(gòu)、功能、性能、加工、裝配、 制造過(guò)程以及生產(chǎn)過(guò)程在虛擬環(huán)境下進(jìn)行仿真 ，并依照產(chǎn)品評(píng)價(jià)體系提 供的方法、規(guī)范和指標(biāo)，為設(shè)計(jì)修改和優(yōu)化提供指導(dǎo)和依據(jù)。由于以上 開(kāi)發(fā)過(guò)程差不多上在虛擬環(huán)境下針對(duì)虛擬產(chǎn)品原型進(jìn)行的 。因此大大縮 短了開(kāi)發(fā)時(shí)刻，節(jié)約了研制經(jīng)費(fèi)，同時(shí)能夠在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的早期

7、時(shí)期發(fā)覺(jué) 可能存在的問(wèn)題，使其在成為事實(shí)之前予以解決；又由于開(kāi)發(fā)進(jìn)程的加 快，使設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)修改從多次串行工作模式下的小的局部循環(huán)過(guò) 渡到基于并行工作模式的整體大循環(huán)成為可能 ，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多個(gè)解 決方案的比較和選擇。(3) 通過(guò)多層次、分時(shí)期、多目標(biāo)的決策支持，提高產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中的 決策和操縱能力通過(guò)虛擬制造系統(tǒng)在人與系統(tǒng)之間 、人工智能與非人工 智能技術(shù)與工具之間、設(shè)計(jì)人員之間、現(xiàn)實(shí)世界與虛擬的計(jì)算機(jī)制造環(huán) 境之間、不同的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程之間、不同的知識(shí)來(lái)源之間等建立起了連接的紐帶。在分布式并行處理環(huán)境下，在對(duì)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程多層次、分時(shí) 期、多目標(biāo)的智能決策支持下，通過(guò)任務(wù)規(guī)劃、調(diào)度、分配和協(xié)調(diào)，

8、在評(píng)價(jià)系統(tǒng)支持下，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的不同時(shí)期，依照不同的評(píng)價(jià)體系指標(biāo)及規(guī)范，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品、生產(chǎn)制造過(guò)程在時(shí)刻、質(zhì)量、成本等多個(gè)目標(biāo)的評(píng)價(jià)，通過(guò)協(xié)同決策，提高企業(yè)的決策和操縱能力，從而實(shí)現(xiàn)提高運(yùn)行效 率以達(dá)到全局尋優(yōu)的目標(biāo)。這包括：(1) 依照市場(chǎng)需求以及企業(yè)資源狀況和技術(shù)條件等，進(jìn)行經(jīng)營(yíng)決策，確定產(chǎn)品類(lèi)型和規(guī)模，對(duì)可能取得的效益和可能遇到的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估；(2) 在虛擬環(huán)境下，基于分布式并行處理技術(shù)，在對(duì)產(chǎn)品及其相關(guān)過(guò)程( 包括制造過(guò)程和支持過(guò)程 ) 進(jìn)行并行地、集成地設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，支持產(chǎn)品開(kāi)發(fā)人員對(duì)產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)以及工藝設(shè)計(jì)及組 織生產(chǎn)等進(jìn)行協(xié)同決策；(3) 依照企業(yè)資源情況、產(chǎn)品

9、類(lèi)型和規(guī)模，制定生產(chǎn)規(guī)劃，操縱和協(xié)調(diào) 生產(chǎn)活動(dòng)，合理配置和利用企業(yè)的人、財(cái)、物資源。(4) 通過(guò)虛擬制造系統(tǒng)與現(xiàn)實(shí)制造系統(tǒng)的集成，提高企業(yè)自我調(diào)節(jié)、自我完善、自我改造和自我進(jìn)展的能力基于企業(yè)建模的虛擬制造系統(tǒng)，通過(guò)信息集成、組織治理集成、智能集成、資源集成、技術(shù)集成、串并行 工作機(jī)制集成、過(guò)程集成以及人機(jī)集成等，實(shí)現(xiàn)企業(yè)的全面集成，為使 其能夠依照復(fù)雜多變的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境，監(jiān)控現(xiàn)實(shí)制造系統(tǒng)的運(yùn)行，不斷調(diào)整 組 織結(jié)構(gòu)，優(yōu)化運(yùn)營(yíng)過(guò)程，合理配置人、財(cái)、物力資源，革新技術(shù)和 提高人員素養(yǎng)等提供了一種系統(tǒng)的方法和途徑，使企業(yè)的自我調(diào)節(jié)、自 我完善、自我改造和自我進(jìn)展的能力大為提高。(5) 提供一種具有制造語(yǔ)

10、義的制造信息基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)虛擬制造系統(tǒng)能夠在制 造系統(tǒng)和信息基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)之間起到橋梁作用 ，為整個(gè)企業(yè)的制造活動(dòng)提供 一個(gè)具有制造語(yǔ)義的制造信息基礎(chǔ)結(jié)構(gòu) ，協(xié)調(diào)和加快制造活動(dòng)之間各種 制造信息的交換。三、研究現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù) 虛擬制造是近幾年來(lái)國(guó)際上提出的，完整的理論體系還沒(méi)有形成，其研 究處于探究時(shí)期。盡管某些基礎(chǔ)單元技術(shù)已有了較深入的研究，但即使 在歐美日等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家 ，目前也要緊是分析虛擬環(huán)境下基礎(chǔ)單元技術(shù) 的要求，對(duì)其進(jìn)行理論上的研究。美國(guó)自然科學(xué)基金(NSF)、美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所(NIST)和美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究打算署(ARPA)資助和 支持下的幾所大學(xué)和企業(yè)聯(lián)合研究中心正在進(jìn)行虛擬制造各

11、個(gè)領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方面的研究 。日本東京大學(xué)和大阪大學(xué)的研究人員自1993年起也在CIRP上發(fā)表論文，論述虛擬環(huán)境下產(chǎn)品建模的需求及其關(guān)鍵技術(shù)、虛擬制造系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)等 方面的研究成果。虛擬制造關(guān)于專(zhuān)門(mén)多工業(yè)部門(mén)來(lái)講，仍處于醞釀時(shí)期 9 ，關(guān)于 大多數(shù)企業(yè)還僅僅只有單元技術(shù) ，目前已真正在開(kāi)始從事虛擬制造的企 業(yè)有波音的 777 部等。我國(guó)在虛擬制造領(lǐng)域方面的研究差不多上處于剛剛起步時(shí)期 。為 適應(yīng)制造技術(shù)今后的進(jìn)展趨勢(shì)，有必要對(duì)其進(jìn)行深入研究，使我國(guó)的制 造技術(shù)上一個(gè)新臺(tái)階，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，并為我國(guó)制造業(yè)的進(jìn)展提供 一條新途徑。其關(guān)鍵技術(shù)的研究分為以下 4個(gè)層 次10 ： 1虛擬制造哲

12、理的研究虛擬制造哲理的研究為制造企業(yè)實(shí)現(xiàn)從精良制造向敏捷制造的 轉(zhuǎn)變提供指導(dǎo)思想。在信息集成的基礎(chǔ)上，通過(guò)組織治理、技術(shù)、資源 和人機(jī)集成實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程的集成。在整個(gè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中，在基于 虛擬現(xiàn)實(shí)、科學(xué)計(jì)算可視化、多媒體等技術(shù)的虛擬使用環(huán)境、虛擬性能 測(cè)試環(huán)境以及虛擬制造環(huán)境等虛擬環(huán)境下 ，在各種人工智能技術(shù)和方法 的支持下，通過(guò)集成地應(yīng)用各種建模、仿真和分析技術(shù)和工具，實(shí)現(xiàn)集成的、并行的產(chǎn)品和過(guò)程開(kāi)發(fā)以及對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造過(guò)程以及生產(chǎn)規(guī) 劃、調(diào)度和治理的測(cè)試，利用分布式協(xié)同求解，以提高制造企業(yè)內(nèi)各級(jí)決策和操縱能力，使企業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)自我調(diào)節(jié)、自我完善、自我改造和自 我進(jìn)展，以達(dá)到提高整體的運(yùn)作效能、實(shí)現(xiàn)全局最優(yōu)決策和提高市場(chǎng)競(jìng) 爭(zhēng)力的目的。2虛擬制造技術(shù)層虛擬制造技術(shù)的研究為虛擬制造的實(shí)施和虛擬制造系統(tǒng)的建立 提供理論和技術(shù)上的支持。它由 3 大主體技術(shù)群 （ 建模技術(shù)群、仿真技 術(shù)群、操縱技術(shù)群 ） 和一個(gè)支撐技術(shù)群 （為 3 大主體技術(shù)群的實(shí)施提供支 持 ） 組成。（1） 建模技術(shù)群建模技術(shù)群是指用來(lái)開(kāi)發(fā)虛擬制造系統(tǒng)中