可視化協(xié)同決策平臺(tái)在兵器領(lǐng)域的應(yīng)用模式

內(nèi)蒙古第一機(jī)械集團(tuán)有限公司 劉玉慧 胡振強(qiáng) 趙子文 于德凱 李 弘

兵器領(lǐng)域的產(chǎn)品一般具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)含量高、多品種、小批量的特點(diǎn)，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量及可靠性、設(shè)計(jì)制造周期方面具有很嚴(yán)格的要求。同時(shí)，隨著用戶對(duì)產(chǎn)品交付的要求越來越嚴(yán)格，綜合保障要求也越來越高，企業(yè)必須打破部門及專業(yè)間的技術(shù)隔離現(xiàn)象，加強(qiáng)設(shè)計(jì)部門與制造單位的協(xié)同能力，革新產(chǎn)品研發(fā)協(xié)同及評(píng)審模式，在產(chǎn)品研發(fā)過程中進(jìn)行可制造性評(píng)估并充分考慮人機(jī)工效等問題，才能適應(yīng)新的市場(chǎng)需要。

可視化協(xié)同決策平臺(tái)的應(yīng)用，將能夠有效提高專業(yè)科室與部門之間的協(xié)調(diào)、驗(yàn)證、評(píng)審等過程的及時(shí)性與有效性，使工藝制造部門提前介入研發(fā)過程，盡可能降低潛在問題的出現(xiàn)概率。同時(shí)也可以為生產(chǎn)部門及維修維護(hù)部門提供良好的信息化手段，實(shí)現(xiàn)提前培訓(xùn)、提前訓(xùn)練、經(jīng)驗(yàn)積累等，以減少生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，避免不必要的返工及人工、物料等資源的浪費(fèi)。

本文將從可視化協(xié)同決策平臺(tái)的技術(shù)背景、應(yīng)用價(jià)值以及在兵器領(lǐng)域的國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀、整體應(yīng)用思路及在我國兵器領(lǐng)域不同階段的應(yīng)用模式進(jìn)行剖析與總結(jié)。

1 平臺(tái)技術(shù)背景分析

可視化協(xié)同決策平臺(tái)是以工程數(shù)字化虛擬樣機(jī)模型（包含幾何虛擬樣機(jī)模型、物理屬性信息、分析仿真模型等全信息、綜合性的數(shù)字化虛擬樣機(jī)數(shù)據(jù)模型）為基礎(chǔ)，以沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)展示及交互式操作技術(shù)為依托的綜合性的應(yīng)用系統(tǒng)，是虛擬制造體系中重要的、不可缺少的組成部分。其應(yīng)用范疇可涵蓋產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、工藝、分析試驗(yàn)、加工、裝配，甚至產(chǎn)品后期的銷售、維護(hù)維修、保障等全生命周期的各個(gè)環(huán)節(jié)?？梢暬瘏f(xié)同決策平臺(tái)的應(yīng)用將通過對(duì)產(chǎn)品及環(huán)境等的更接近真實(shí)工況的模擬，形成一個(gè)高度仿真的可視化的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境。這種應(yīng)用模式將以專業(yè)的虛擬軟件平臺(tái)為核心，借助較高性能的硬件設(shè)備的支撐，通過人機(jī)交互輸入、多通道立體顯示等多種方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程虛擬樣機(jī)模型的最接近真實(shí)的模擬，涵蓋了幾何模型、物理屬性、仿真分析結(jié)果、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等全面的產(chǎn)品信息資源，以增強(qiáng)通過數(shù)字樣機(jī)進(jìn)行各類綜合規(guī)劃、評(píng)價(jià)、協(xié)調(diào)、決策的能力。

基于工程虛擬樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過程將逐步或大部分代替實(shí)物樣機(jī)，完成產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)功能展示、性能仿真、測(cè)試和評(píng)估、人機(jī)工效分析、輔助決策等多種實(shí)際應(yīng)用。設(shè)計(jì)人員、工藝人員乃至安裝維護(hù)人員及用戶等，均可在實(shí)物樣機(jī)制造之前就能夠掌握產(chǎn)品的綜合性能和可能存在的問題，提出設(shè)計(jì)變更和設(shè)計(jì)反饋，使數(shù)字樣機(jī)技術(shù)良好地融入到產(chǎn)品全生命周期的整個(gè)過程中，從而減少設(shè)計(jì)錯(cuò)誤、修改頻次，縮短產(chǎn)品的實(shí)際設(shè)計(jì)與制造周期，減少實(shí)物試驗(yàn)驗(yàn)證及開模成本，以降低研究成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高對(duì)市場(chǎng)的快速響應(yīng)及快速應(yīng)變能力[1]。

2 國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀分析

2.1 國外應(yīng)用現(xiàn)狀分析

對(duì)于國外兵器領(lǐng)域的知名制造商，已經(jīng)普遍采用了交互式可視化協(xié)調(diào)決策平臺(tái)系統(tǒng)，同時(shí)在航空航天及汽車等領(lǐng)域，對(duì)于可視化協(xié)同決策體系的應(yīng)用深度和集成深度都已達(dá)到了很高的水平。以下將以萊茵金屬公司為例進(jìn)行剖析。

萊茵金屬公司的產(chǎn)品研發(fā)、制造單位主要分布在德國的Kiel、Kassel及Unterlü?等地，由此導(dǎo)致產(chǎn)品協(xié)同制造難度大，產(chǎn)品從試制到量產(chǎn)周期長，樣機(jī)生產(chǎn)、運(yùn)輸及裝配成本高，運(yùn)輸難度大，且制造性設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)較高，往往在產(chǎn)品及部件基本設(shè)計(jì)完成后才能進(jìn)行人機(jī)工效分析。

為解決制造性和人機(jī)交互分析等問題，該公司在2004年開始采用了ESI公司的可視化協(xié)同決策平臺(tái)（VDP）來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的制造與各環(huán)節(jié)的協(xié)同，在產(chǎn)品研發(fā)過程中即開始進(jìn)行制造性分析和人機(jī)交互分析，建立了企業(yè)內(nèi)的分布式協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)。如今，該公司已經(jīng)具備了相對(duì)完善的可視化協(xié)同決策體系（建立了2套基于VDP軟件的CAVE沉浸式可視化虛擬平臺(tái)、1套POWERWALL沉浸式虛擬平臺(tái)，同時(shí)具備數(shù)套桌面工具），以協(xié)調(diào)制造與其他部門，加快產(chǎn)品上市的速度，降低制造成本。

2.2 國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀分析

目前，國內(nèi)兵器行業(yè)的大多數(shù)型企業(yè)已經(jīng)意識(shí)到了可視化協(xié)同決策平臺(tái)對(duì)于企業(yè)的重要價(jià)值，并已著手研究或已經(jīng)開始了可視化協(xié)同決策平臺(tái)系統(tǒng)的應(yīng)用推廣工作，但均處于探索應(yīng)用階段，對(duì)于沉浸式的3D可視化技術(shù)的應(yīng)用還停留在虛擬環(huán)境及產(chǎn)品展示及漫游的應(yīng)用狀態(tài)。

對(duì)于我國其他行業(yè)，如航空航天、汽車等，可視化協(xié)同決策平臺(tái)已逐步開始應(yīng)用，部分企業(yè)已經(jīng)具備了一定的應(yīng)用水平，但較國外大規(guī)模、多學(xué)科的廣泛應(yīng)用還有很大差距。同時(shí)，由于該項(xiàng)技術(shù)在國內(nèi)還沒有得到大規(guī)模普及，雖在企業(yè)級(jí)的應(yīng)用中已經(jīng)得到了顯著的應(yīng)用效果，但目前還沒有形成集團(tuán)級(jí)、供應(yīng)鏈級(jí)的異地可視化設(shè)計(jì)制造協(xié)同應(yīng)用模式。

3 應(yīng)用特點(diǎn)分析

隨著計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)的不斷發(fā)展，可視化協(xié)同決策平臺(tái)將會(huì)基于虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，與各種專業(yè)的仿真分析系統(tǒng)相結(jié)合，形成以工程虛擬樣機(jī)應(yīng)用為核心的綜合性應(yīng)用體系，以支撐設(shè)計(jì)、工藝團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)造性思維及頻繁的磋商討論、方案集成、評(píng)價(jià)決策、虛擬分析試驗(yàn)等多種應(yīng)用。

可視化協(xié)同決策平臺(tái)的應(yīng)用與目前多數(shù)企業(yè)已經(jīng)擁有的工程設(shè)計(jì)體系軟件系統(tǒng)不同。對(duì)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)系統(tǒng)、數(shù)字化制造系統(tǒng)等工程設(shè)計(jì)軟件，其主要目標(biāo)是“創(chuàng)造”，把工程師的設(shè)計(jì)思想最終轉(zhuǎn)化為精確的、詳細(xì)的模型、圖紙等數(shù)據(jù)，具有專業(yè)性強(qiáng)、專業(yè)功能完善、但使用門檻高等特點(diǎn)，同時(shí)數(shù)據(jù)信息關(guān)聯(lián)關(guān)系強(qiáng)，對(duì)數(shù)據(jù)的不斷補(bǔ)充完善過程擁有比較嚴(yán)格的操作步驟。而可視化協(xié)同決策平臺(tái)的主要目標(biāo)是“溝通”，不僅實(shí)現(xiàn)了在高度可視化的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中快速交互式操作能力，能夠在設(shè)計(jì)過程中對(duì)后續(xù)環(huán)節(jié)可能存在的問題進(jìn)行快速探索性的操作討論，而且其本身操作簡(jiǎn)單、易用性強(qiáng)，與專業(yè)的設(shè)計(jì)軟件相比，更適合各類不同的人員共同進(jìn)行操作與交流[2-3]。對(duì)其主要的應(yīng)用特點(diǎn)分析如下。

（1）靈活性及快速響應(yīng)能力。

為了能夠使各部門人員提前介入設(shè)計(jì)及工藝過程，提前發(fā)現(xiàn)問題，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)及試裝過程設(shè)計(jì)等過程，應(yīng)隨時(shí)能夠利用該平臺(tái)進(jìn)行快速的討論、探索、決策等，不能存在較長的準(zhǔn)備時(shí)間；同時(shí)由于在討論過程，經(jīng)常存在隨著交流的深入，產(chǎn)生創(chuàng)造性的或臨時(shí)性的思路需要及時(shí)探索驗(yàn)證。因此對(duì)于可視化協(xié)同決策平臺(tái)的應(yīng)用，應(yīng)基于成熟的功能及良好的靈活性，以支撐對(duì)參與者的思路能夠及時(shí)進(jìn)行交互式的展現(xiàn)與驗(yàn)證，而不用進(jìn)行較多的準(zhǔn)備過程。

（2）最真實(shí)的感觀及交互體驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

由于桌面式的平面表現(xiàn)方式無法實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品空間感及實(shí)際尺寸體驗(yàn)等信息達(dá)到真實(shí)表達(dá)，也無法進(jìn)行接近真實(shí)的操作體驗(yàn)感受，會(huì)由于理解的差異造成對(duì)結(jié)論及指導(dǎo)的問題，直接影響到產(chǎn)品質(zhì)量及設(shè)計(jì)返工。因此只有在1:1的真實(shí)沉浸式環(huán)境中，完成全部的展示及交互式的操作體驗(yàn)，才能消除三維模型與實(shí)際產(chǎn)品間的人為認(rèn)知差距，從而得出正確的判斷。

（3）易學(xué)易用、操作便捷。

由于該系統(tǒng)的使用涉及到眾多的部門人員，只有讓所有人員都能夠方便的掌握軟件的操作，才能更準(zhǔn)確地反映出每個(gè)人的真實(shí)想法。因此易學(xué)易用是作為通用的平臺(tái)產(chǎn)品必須具備的性能特征。同時(shí)，為了達(dá)到在整個(gè)研發(fā)過程中的廣泛使用，形成常態(tài)化的協(xié)同交流模式，對(duì)于交流所需的準(zhǔn)備及交流過程中的操作應(yīng)盡量便捷，以便將更多的時(shí)間投入分析討論，而不是繁瑣的軟件操作。

（4）多操作環(huán)境協(xié)同應(yīng)用能力。

對(duì)于進(jìn)行多部門協(xié)調(diào)及綜合評(píng)審等過程，經(jīng)常會(huì)存在需要不同地點(diǎn)、不同軟件終端的協(xié)同工作，以達(dá)到更快捷、更高效、更低成本的溝通過程。隨著可視化協(xié)同決策平臺(tái)在我國兵器行業(yè)應(yīng)用的不斷普及，在不久的將來，將不僅是企業(yè)內(nèi)部，還將形成科研單位與生產(chǎn)單位之間，甚至與用戶及供應(yīng)商之間的廣域協(xié)同模式。

4 企業(yè)應(yīng)用模式及整體發(fā)展規(guī)劃

內(nèi)蒙古第一機(jī)械集團(tuán)有限公司目前已完成了可視化協(xié)同決策平臺(tái)的初步應(yīng)用，本節(jié)將基于我單位的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)及未來的發(fā)展方向，對(duì)可視化協(xié)同決策平臺(tái)在兵器

領(lǐng)域的應(yīng)用模式進(jìn)行剖析。

4.1 已形成的應(yīng)用模式及應(yīng)用流程

首先，對(duì)于可視化協(xié)同決策平臺(tái)系統(tǒng)的發(fā)展戰(zhàn)略，我們認(rèn)為將按照全盤規(guī)劃、分步實(shí)施的思路實(shí)現(xiàn)。目前，我單位已經(jīng)結(jié)合工程研制階段的業(yè)務(wù)流程，完成了該平臺(tái)在實(shí)際工程的應(yīng)用試點(diǎn)，基于成熟的軟硬件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在技術(shù)上的應(yīng)用突破，直接為實(shí)際設(shè)計(jì)制造過程服務(wù)。

通過數(shù)字樣機(jī)代替實(shí)物樣機(jī)完成產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)功能展示、性能仿真、測(cè)試和評(píng)估、人機(jī)工效分析、輔助決策等多種實(shí)際應(yīng)用。設(shè)計(jì)人員、工藝人員及各分廠，均可在實(shí)物樣機(jī)制造之前就能夠掌握產(chǎn)品的綜合性能和可能存在的問題，提出設(shè)計(jì)變更和設(shè)計(jì)反饋。使數(shù)字樣機(jī)技術(shù)能夠很好地融入到產(chǎn)品全生命周期的整個(gè)過程中，從而減少設(shè)計(jì)錯(cuò)誤、修改頻次，縮短實(shí)際產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造周期，減少實(shí)物試驗(yàn)驗(yàn)證及開模成本，以降低研究成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高對(duì)市場(chǎng)的快速響應(yīng)及快速應(yīng)變能力[4]。具體應(yīng)用流程圖如圖1所示。

圖1 工作流程圖Fig.1 Work flow chart

其中，主要的應(yīng)用流程及內(nèi)容描述如下：

（1）首先，在設(shè)計(jì)方案確定以后，基于初步三維設(shè)計(jì)零部件模型，并結(jié)合總體室制定的產(chǎn)品骨架模型，通過可視化平臺(tái)建立基于輕量化模型的全車虛擬樣機(jī)模型?；谠撃Ｐ瓦M(jìn)行第一輪的總體協(xié)調(diào)與評(píng)審；

（2）在各科室進(jìn)行各專業(yè)的設(shè)計(jì)過程中，對(duì)于專業(yè)間需要協(xié)調(diào)的內(nèi)容，將按需要更新總體虛擬樣機(jī)模型，進(jìn)行專業(yè)間的協(xié)調(diào)溝通，并將結(jié)論與意見反饋給設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整；

（3）在工程研制的各協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，各科室將基于各專業(yè)的大部件模型對(duì)總體虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行更新，進(jìn)行多專業(yè)的節(jié)點(diǎn)性綜合協(xié)調(diào)，并讓工藝部門、各分廠技術(shù)人員開始介入，完成對(duì)關(guān)鍵部件、狹小空間等的可裝配性、維修維護(hù)性評(píng)估，如圖2、圖3所示；

（4）同時(shí)在此過程中，還將根據(jù)各專業(yè)的設(shè)計(jì)需要，基于總體虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行各專業(yè)所需的樣機(jī)試裝過程仿真、人機(jī)工程學(xué)分析、電纜綜合設(shè)計(jì)分析驗(yàn)證等；

（5）在工程設(shè)計(jì)完成后，將基于完整虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行階段綜合性評(píng)審，提出改進(jìn)意見反饋設(shè)計(jì)系統(tǒng)，經(jīng)調(diào)整后再進(jìn)行改進(jìn)驗(yàn)證過程；

（6）同期，該平臺(tái)還將開始其他方面的拓展應(yīng)用，包括虛擬產(chǎn)品展示、虛擬實(shí)驗(yàn)、虛擬培訓(xùn)等。

4.2 未來應(yīng)用發(fā)展展望

隨著現(xiàn)階段應(yīng)用試點(diǎn)工作的順利完成，近期將針對(duì)可視化協(xié)同決策平臺(tái)的應(yīng)用向論證階段、方案階段、生產(chǎn)及維修維護(hù)階段進(jìn)行推廣應(yīng)用，達(dá)到全生命周期的完整應(yīng)用。同時(shí)，也將打通已有單元應(yīng)用技術(shù)的數(shù)據(jù)通道，建立與企業(yè)其他相關(guān)系統(tǒng)的有效數(shù)據(jù)傳遞通道，形成有效的系統(tǒng)集成應(yīng)用模式。在現(xiàn)有應(yīng)用的基礎(chǔ)上，開始進(jìn)行企業(yè)級(jí)工程虛擬樣機(jī)環(huán)境所需的相關(guān)數(shù)據(jù)庫的建設(shè)工作，并實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)資源庫內(nèi)容的逐步完善過程，使之完全整合于企業(yè)整體信息化體系中[5]。

5 結(jié)論

作為企業(yè)的一個(gè)綜合性的應(yīng)用平臺(tái)，可視化協(xié)同決策平臺(tái)系統(tǒng)將打造為一個(gè)數(shù)字化的全信息模型工程虛擬樣機(jī)為基礎(chǔ)的綜合虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)，其核心思想是打造企業(yè)在集成設(shè)計(jì)與制造應(yīng)用模式下的，多部門、多團(tuán)隊(duì)、多學(xué)科的可視化交互環(huán)境，使企業(yè)各方人員能夠基于此統(tǒng)一的可視化交互環(huán)境，完成從設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)、方案評(píng)審、工藝可行性分析、裝配及維護(hù)性分析驗(yàn)證、人機(jī)工程分析等一系列問題；可以支撐在統(tǒng)一的可視化交互環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)對(duì)三維模型、屬性信息、分析結(jié)果、裝配方法及路徑等全信息的一體化模型的真實(shí)呈現(xiàn)，最終形成一套可以支撐多學(xué)科綜合應(yīng)用的、高度集成的、多站點(diǎn)的可視化協(xié)同決策平臺(tái)體系。

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