基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬技術(shù)在現(xiàn)代制造業(yè)中的應(yīng)用研究

王劍鋒，蔡黔鷹，韓 贏

（1. 河北科技師范學(xué)院 數(shù)學(xué)與信息科技學(xué)院，秦皇島 066004；2. 河北建材職業(yè)技術(shù)學(xué)院，秦皇島 066004）

0 引言

在經(jīng)濟(jì)全球化、貿(mào)易自由化和社會信息化的新形勢下，制造業(yè)的經(jīng)營戰(zhàn)略發(fā)生了很大的變化，TQCS成為現(xiàn)代制造企業(yè)適應(yīng)市場需求，提高競爭力的關(guān)鍵因素。即以最快的上市速度（T-Time to Market）、最好的質(zhì)量（Q-Quality）、最低的成本（C-Cost）、最優(yōu)的服務(wù)（S-Service）來滿足不同顧客的需求。如何利用新技術(shù)所提供的機(jī)遇，抓住用戶需求，以最短的時間開發(fā)出用戶能夠接受的產(chǎn)品，已成為市場競爭的焦點。

面對激烈的國際競爭，為迎接中華民族的偉大復(fù)興，國家對制造企業(yè)提出了宏偉目標(biāo)，即要求國內(nèi)骨干企業(yè)盡快著手信息化工作， 2010年到2015年大中型企業(yè)要達(dá)到國際先進(jìn)的信息化制造水平。實際上，信息化不僅是政策的約束，更是市場的驅(qū)使，隨著市場經(jīng)濟(jì)全球化的進(jìn)程，信息化制造將成為現(xiàn)代制造企業(yè)追求的重要目標(biāo)之一。

1 信息化制造

信息化制造是以虛擬制造和大規(guī)模定制生產(chǎn)為標(biāo)準(zhǔn)的，只有基本上實現(xiàn)了從產(chǎn)品設(shè)計、開發(fā)、生產(chǎn)制造和流通以至產(chǎn)品全生命周期的信息化，才算真正完成信息化工作，在此基礎(chǔ)上的先進(jìn)制造模式和信息化內(nèi)容才能叫做信息化制造。

隨著計算機(jī)、自動化及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在制造系統(tǒng)中的應(yīng)用，信息技術(shù)對制造技術(shù)發(fā)展的作用目前已占到第一位。產(chǎn)品制造過程中的信息投入，己成為決定產(chǎn)品成本的主要因素。信息技術(shù)使現(xiàn)代制造的技術(shù)含量提高，使傳統(tǒng)制造技術(shù)發(fā)生質(zhì)的變化。信息技術(shù)也促進(jìn)著設(shè)計技術(shù)的現(xiàn)代化，加工制造的精密化、快速化，自動化技術(shù)的柔性化、智能化，整個制造過程的網(wǎng)絡(luò)化、全球化。

為了提高競爭能力，企業(yè)應(yīng)當(dāng)能夠?qū)κ袌鲂枨蟮淖兓龀隹焖倜艚莸姆磻?yīng)，并及時地對自身的生產(chǎn)做出合理的調(diào)整與重新規(guī)劃。面對不可預(yù)測、持續(xù)發(fā)展、快速多變的市場需求，企業(yè)的生產(chǎn)活動必須具有高度的柔性。計算機(jī)軟硬件技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展為實現(xiàn)這一目標(biāo)提供了強(qiáng)有力的支持。基于這些因素，概念設(shè)計、并行工程、智能制造、敏捷制造等多種有關(guān)先進(jìn)制造技術(shù)的新思想、新概念相繼誕生。虛擬制造（VirtualManufacture）就是其中之一，它代表了一種全新的制造體系和模式。

1.1 虛擬制造技術(shù)

虛擬制造技術(shù)是以虛擬現(xiàn)實和仿真技術(shù)為基礎(chǔ)，對產(chǎn)品的設(shè)計、生產(chǎn)過程統(tǒng)一建模，在計算機(jī)上實現(xiàn)產(chǎn)品從設(shè)計、加工和裝配、檢驗、使用整個生命周期的模擬和仿真。這樣，可以在產(chǎn)品的設(shè)計階段就模擬出產(chǎn)品及其性能和制造過程，以此來優(yōu)化產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量和制造過程，優(yōu)化生產(chǎn)管理和資源規(guī)劃，縮短設(shè)計開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，以達(dá)到產(chǎn)品開發(fā)周期和成本的最小化，產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量的最優(yōu)化和生產(chǎn)效率最高化，從而提高企業(yè)的快速響應(yīng)能力，增強(qiáng)企業(yè)的市場競爭優(yōu)勢。也就是說虛擬制造是對實際制造進(jìn)行抽象、分析、綜合、得到實際產(chǎn)品的全數(shù)字化模型，其最終目標(biāo)是反作用于實際制造過程，用來指導(dǎo)生產(chǎn)實踐。

虛擬制造技術(shù)可以分為三大類：一是以設(shè)計為中心的虛擬制造技術(shù)；二是以生產(chǎn)為中心的虛擬制造技術(shù)；三是以控制為中心的虛擬制造技術(shù)。

1）以設(shè)計為中心的虛擬制造以設(shè)計為中心的虛擬制造是將制造信息加人到產(chǎn)品設(shè)計與工藝設(shè)計過程中，并在計算機(jī)中進(jìn)行”制造”，仿真多種制造方案和產(chǎn)生許多”軟”的模型，為設(shè)計者提供一個設(shè)計產(chǎn)品和評估產(chǎn)品可制造性的環(huán)境。它的主要支持技術(shù)包括特征造型、面向數(shù)學(xué)的模型設(shè)計及加工過程的仿真技術(shù)。主要應(yīng)用領(lǐng)域包括造型設(shè)計、熱力學(xué)分析、運(yùn)動學(xué)分析、動力學(xué)分析、容差分析和加工過程仿真。

2）以生產(chǎn)為中心的虛擬制造以生產(chǎn)為中心的虛擬制造是將仿真能力加人到生產(chǎn)過程模型中，其目的是方便和快捷地評價多種加工過程，檢驗新工藝流程的可信度、產(chǎn)品的生產(chǎn)效率、資源的需求狀況(包括購置新設(shè)備、征詢盟友等)，從而優(yōu)化制造環(huán)境的配置和生產(chǎn)的供給計劃。它的主要支持技術(shù)包括虛擬現(xiàn)實技術(shù)和嵌人式仿真技術(shù)，其應(yīng)用領(lǐng)域包括工廠或產(chǎn)品的物理布局及生產(chǎn)計劃的編排。

3）以控制為中心的虛擬制造以控制為中心的虛擬制造是將仿真能力增加到控制模型和實際的生產(chǎn)過程中，模擬實際的車間生產(chǎn)，評估車間生產(chǎn)活動，達(dá)到優(yōu)化制造過程的目的。它的主要支持技術(shù)有:對離散制造一基于仿真的實時動態(tài)調(diào)度;對連續(xù)制造一基于仿真的最優(yōu)控制。

1.2 基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程制造

基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程制造技術(shù)指的是:面對市場機(jī)遇，針對某一市場需要，利用以互聯(lián)網(wǎng)為標(biāo)志的信息高速公路，靈活而迅速地組織社會制造資源，把分散在不同地區(qū)的現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備資源、智力資源和各種核心能力，按資源優(yōu)勢互補(bǔ)的原則，迅速地組合成一種沒有圍墻的、超越空間約束的、靠電子手段聯(lián)系的、統(tǒng)一指揮的經(jīng)營實體—網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟企業(yè)，以便快速推出高質(zhì)量、低成本的新產(chǎn)品。

實施網(wǎng)絡(luò)化制造技術(shù)的行為主體是網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟，因此需從網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟的全生命周期來考察研究與網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟相關(guān)的一系列問題，網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟的生命周期按時序大致劃分為:面對市場機(jī)遇時的市場分析、資源重組分析、網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟組建設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟組建實施、網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟運(yùn)營、網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟終止。

在網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟全壽命周期內(nèi)，所涉及到的實施技術(shù)涵蓋了以下幾方面:組織管理與運(yùn)營管理技術(shù);資源重組技術(shù);網(wǎng)絡(luò)與通訊技術(shù);信息傳輸、處理與轉(zhuǎn)換技術(shù)等:由于網(wǎng)絡(luò)化制造是建立在以因特網(wǎng)為標(biāo)志的信息高速公路的基礎(chǔ)上，因此必須建立和完善相應(yīng)的法律、法規(guī)框架與電子商務(wù)環(huán)境，建立國家制造資源信息網(wǎng)，形成信息支持環(huán)境。

2 網(wǎng)絡(luò)時代的企業(yè)虛擬化

傳統(tǒng)的制造企業(yè)主要依靠自己的內(nèi)部和幾個熟悉的合作伙伴進(jìn)行生產(chǎn)。要同其它企業(yè)建立新的合作關(guān)系可能需要花費(fèi)幾個月的時間，因為各項事物如條約、條件、CAD格式等等都需要協(xié)商，企業(yè)的生產(chǎn)能力也需要確認(rèn)。所要求的零件圖紙最多只能送到幾個車間評估，而且圖紙主要是通過電傳、Modem或磁盤等傳遞的，經(jīng)常需要手工重新輸人到車間的CAD系統(tǒng)。澄清每一步（如丟失了曲面精度或誤差說明等）都可能需要幾天的時間。如果發(fā)生了錯誤或遇到了困難需要改變設(shè)計時，整個循環(huán)周期就可能增加50%，甚至更多。

在社會步入網(wǎng)絡(luò)時代的今天，為了快速響應(yīng)市場的需求，圍繞新產(chǎn)品開發(fā)，利用不同地域的現(xiàn)有資源、不同的企業(yè)或不同地點的工廠，重新組織一個新公司。該公司在運(yùn)行之前，必須分析組合是否最優(yōu)，能否協(xié)調(diào)運(yùn)行，并對投產(chǎn)后的風(fēng)險、利益分配等進(jìn)行評估。這種聯(lián)作公司稱為虛擬公司，或者叫作動態(tài)聯(lián)盟，是一種虛擬企業(yè)，它具有集成性和實效性兩大特點的經(jīng)濟(jì)實體。

2.1 虛擬企業(yè)

虛擬企業(yè)是指分布在不同地區(qū)的多個企業(yè)利用電子手段，為快速響應(yīng)市場需求而組成的動態(tài)聯(lián)盟，是組織、人力、技術(shù)、信息等資源在完善的網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的有效集成。虛擬企業(yè)是根據(jù)市場需求動態(tài)去組建，并迅速地在各種構(gòu)成企業(yè)間達(dá)到協(xié)調(diào)，強(qiáng)調(diào)在最短時間內(nèi)以最適合的性能價格比開發(fā)市場需求的產(chǎn)品。虛擬企業(yè)的特點是企業(yè)的功能上不完整、地域上分散和組織結(jié)構(gòu)上非永久性。由于信息和市場的全球化，企業(yè)必須不斷創(chuàng)新產(chǎn)品及優(yōu)化制造過程，快速響應(yīng)客戶要求，才能取得競爭上的優(yōu)勢。虛擬企業(yè)的企業(yè)成員間在邏輯上是一個完整的企業(yè)實體，在組織上根據(jù)各自企業(yè)特點的經(jīng)濟(jì)效益而聯(lián)合。當(dāng)市場機(jī)遇不復(fù)存在，虛擬企業(yè)隨即解體。其最終目標(biāo)是利用不同地區(qū)的現(xiàn)有生產(chǎn)資源，把它們迅速組合成一種沒有界限的、靠電子手段聯(lián)系的經(jīng)營實體，以便快速推出高質(zhì)量、低成本的新產(chǎn)品。

在虛擬企業(yè)中，一個企業(yè)設(shè)計某種產(chǎn)品并為制造該產(chǎn)品而與其它企業(yè)進(jìn)行合作。要形成這種合作關(guān)系，企業(yè)需要建立良好的產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)并對合作的企業(yè)作出優(yōu)化選擇。為此，我們需要作兩方面研究:一是在產(chǎn)品設(shè)計階段考慮到侯選企業(yè)的能力，這種能力是與制造該產(chǎn)品有關(guān)的，而非企業(yè)的一般能力;二是為比較侯選伙伴提供工具。也就是說建立能夠?qū)ζ髽I(yè)作出評估的信息模型并提供各種決策方法

在面對多變的市場需求下，虛擬企業(yè)具有加快新產(chǎn)品開發(fā)速度，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，快速響應(yīng)用戶的需求，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期等優(yōu)點。因此虛擬企業(yè)是快速響應(yīng)市場需求的部隊，能在商戰(zhàn)中為企業(yè)把握機(jī)遇和帶來優(yōu)勢。

2.2 虛擬制造

虛擬制造技術(shù)是虛擬現(xiàn)實技術(shù)和計算機(jī)仿真技術(shù)在制造領(lǐng)域的綜合發(fā)展及應(yīng)用，它為制造業(yè)帶來全新的概念。它可以全面改進(jìn)企業(yè)的組織管理工作，提高企業(yè)整體運(yùn)作及全面最優(yōu)決策的效能和市場競爭力。

實施虛擬制造可以打破傳統(tǒng)的地域、時域的限制，通過Internet實現(xiàn)資源共享，變分散為集中，可實現(xiàn)異地設(shè)計、異地制造，從而使產(chǎn)品開發(fā)能以快速、優(yōu)質(zhì)、低耗響應(yīng)市場變化。通過分析設(shè)計的可制造性，利用有效的工具和加工方法來支持生產(chǎn)，可以大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和穩(wěn)定性。企業(yè)不再需要投入大量的設(shè)備和儀器，從而避免了不必要的設(shè)備閑置，可充分利用其他企業(yè)的先進(jìn)設(shè)備和儀器進(jìn)行生產(chǎn)，能很好地解決一些中小企業(yè)資金短缺的難題。

應(yīng)用計算機(jī)仿真技術(shù)，對零件的加工方法、工序順序、工裝的選用、工藝參數(shù)的選用，加工工藝性、裝配工藝性、配合件之間的配合性、連接件之間的連接性、運(yùn)動構(gòu)件的運(yùn)動性等均可建模仿真，可以提前發(fā)現(xiàn)加工缺陷，提前發(fā)現(xiàn)裝配時出現(xiàn)的問題，從而能夠優(yōu)化制造過程，提高加工效率。

產(chǎn)品生產(chǎn)過程的合理制定、人力資源、制造資源、物料庫存、生產(chǎn)調(diào)度、生產(chǎn)系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計等，均可通過計算機(jī)仿真進(jìn)行優(yōu)化，同時還可對生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析，對生產(chǎn)過程的資金進(jìn)行分析預(yù)測，對產(chǎn)品市場進(jìn)行分析預(yù)測等，從而對人力資源、制造資源的合理配置，對縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，降低成本意義重大。

虛擬制造在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，如美國、德國、日本等已得到了不同程度的研究和應(yīng)用。在這一領(lǐng)域，美國處于國際研究的前沿。福特汽車公司和克萊斯勒汽車公司在新型汽車的開發(fā)中已經(jīng)大量應(yīng)用虛擬制造技術(shù)，大大縮短了產(chǎn)品的發(fā)布時間。美國Ultra Comm公司是生產(chǎn)電子產(chǎn)品的虛擬企業(yè)，在美國各地有60多家，數(shù)以千計的雇員組成的虛擬電子集團(tuán)，公司本身只有幾名雇員，該公司利用遍布全美的商務(wù)網(wǎng)絡(luò)，采用分散設(shè)計和制造方式，不同的產(chǎn)品選用不同企業(yè)，依靠網(wǎng)絡(luò)技術(shù)組成的經(jīng)濟(jì)實體，實現(xiàn)市場目標(biāo)。美國波音公司投資40億美元研制波音777噴氣式客機(jī)，是世界上首架以三維無紙化方式設(shè)計出的飛機(jī)，它的設(shè)計成功已經(jīng)成為虛擬制造從理論研究轉(zhuǎn)向?qū)嵱没囊粋€里程碑。從1990年10月開始到1994年6月僅用了3年零8個月時間就完成了研制，一次試飛成功，投入運(yùn)營。波音公司分散在世界各地的技術(shù)人員可以從777客機(jī)數(shù)以萬計的零部件中調(diào)出任何一種在計算機(jī)上觀察、研究、討論，所有零部件均是三維實體模型?？梢娋W(wǎng)絡(luò)化的虛擬制造給企業(yè)帶來的效益。

3 網(wǎng)絡(luò)化虛擬制造應(yīng)用的現(xiàn)實思考

3.1 全局意義上的規(guī)劃和引導(dǎo)

虛擬制造技術(shù)與其它的先進(jìn)制造技術(shù)是相互關(guān)聯(lián)、彼此交叉的，其涉及面廣、技術(shù)難度大，研究及推廣應(yīng)用需要投入大量人力、物力及資金，政府部門應(yīng)從宏觀上加強(qiáng)對虛擬制造技術(shù)的指導(dǎo)，同時要使虛擬制造技術(shù)與各種先進(jìn)制造技術(shù)相互銜接、協(xié)調(diào)發(fā)展。

3.2 現(xiàn)實企業(yè)的創(chuàng)新與突破

企業(yè)在培養(yǎng)和引進(jìn)高層次、高質(zhì)量研究型、管理型和開發(fā)應(yīng)用型人才的同時，大力普及CAD/CAM技術(shù)，及時推行精益生產(chǎn)、并行工程等思想和技術(shù)，全面提高企業(yè)員工的技術(shù)素質(zhì)。企業(yè)與高校應(yīng)探索人才的聯(lián)合培養(yǎng)新模式，不斷增強(qiáng)科技創(chuàng)新能力。要分階段構(gòu)建虛擬制造環(huán)境，做好全面扎實的基礎(chǔ)工作，在全面實施并行工程的基礎(chǔ)上實施虛擬制造。

3.3 關(guān)鍵技術(shù)的研究與開發(fā)

虛擬制造技術(shù)包括軟件技術(shù)和硬件技術(shù)，其中建模技術(shù)、計算機(jī)仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)等是實施虛擬制造的關(guān)鍵技術(shù)。我國虛擬制造技術(shù)的研究剛剛起步，系統(tǒng)的、全面的研究尚未開展，科研力量分散。建立分布式網(wǎng)絡(luò)化研究中心，以企業(yè)為主體，產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合，重點投資與自身發(fā)展有關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)的研究，進(jìn)行研發(fā)和推廣是一條值得深入探索的道路。

4 結(jié)論

網(wǎng)絡(luò)時代，社會有限資源通過Intranet和Internet技術(shù)重新整合，局部有限資源在全球經(jīng)濟(jì)環(huán)境中將得到充分利用，人們通過網(wǎng)絡(luò)可以享受虛擬游覽、虛擬購物、網(wǎng)上電子商務(wù)交易等服務(wù)。面對信息時代的到來，企業(yè)結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化，采用網(wǎng)絡(luò)化制造模式將有助于提高企業(yè)的竟?fàn)幜?。基于網(wǎng)絡(luò)虛擬制造將是下一代生產(chǎn)制造的一個趨勢。它既是一項先進(jìn)制造技術(shù)又是一種先進(jìn)制造理念，可以預(yù)見，隨著遠(yuǎn)程通訊、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，利用工業(yè)工程思想和分布式網(wǎng)絡(luò)化研究中心在新的生產(chǎn)模式和結(jié)構(gòu)重組方面提供的指導(dǎo)和示范，必將為先進(jìn)制造技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供更廣闊的空間。

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