基于網絡的虛擬技術在現代制造業中的應用研究

王劍鋒，蔡黔鷹，韓 贏

（1. 河北科技師范學院 數學與信息科技學院，秦皇島 066004；2. 河北建材職業技術學院，秦皇島 066004）

0 引言

在經濟全球化、貿易自由化和社會信息化的新形勢下，制造業的經營戰略發生了很大的變化，TQCS成為現代制造企業適應市場需求，提高競爭力的關鍵因素。即以最快的上市速度（T-Time to Market）、最好的質量（Q-Quality）、最低的成本（C-Cost）、最優的服務（S-Service）來滿足不同顧客的需求。如何利用新技術所提供的機遇，抓住用戶需求，以最短的時間開發出用戶能夠接受的產品，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興，國家對制造企業提出了宏偉目標，即要求國內骨干企業盡快著手信息化工作， 2010年到2015年大中型企業要達到國際先進的信息化制造水平。實際上，信息化不僅是政策的約束，更是市場的驅使，隨著市場經濟全球化的進程，信息化制造將成為現代制造企業追求的重要目標之一。

1 信息化制造

信息化制造是以虛擬制造和大規模定制生產為標準的，只有基本上實現了從產品設計、開發、生產制造和流通以至產品全生命周期的信息化，才算真正完成信息化工作，在此基礎上的先進制造模式和信息化內容才能叫做信息化制造。

隨著計算機、自動化及網絡技術在制造系統中的應用，信息技術對制造技術發展的作用目前已占到第一位。產品制造過程中的信息投入，己成為決定產品成本的主要因素。信息技術使現代制造的技術含量提高，使傳統制造技術發生質的變化。信息技術也促進著設計技術的現代化，加工制造的精密化、快速化，自動化技術的柔性化、智能化，整個制造過程的網絡化、全球化。

為了提高競爭能力，企業應當能夠對市場需求的變化做出快速敏捷的反應，并及時地對自身的生產做出合理的調整與重新規劃。面對不可預測、持續發展、快速多變的市場需求，企業的生產活動必須具有高度的柔性。計算機軟硬件技術及網絡技術的迅速發展為實現這一目標提供了強有力的支持?；谶@些因素，概念設計、并行工程、智能制造、敏捷制造等多種有關先進制造技術的新思想、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

虛擬制造技術是以虛擬現實和仿真技術為基礎，對產品的設計、生產過程統一建模，在計算機上實現產品從設計、加工和裝配、檢驗、使用整個生命周期的模擬和仿真。這樣，可以在產品的設計階段就模擬出產品及其性能和制造過程，以此來優化產品的設計質量和制造過程，優化生產管理和資源規劃，縮短設計開發周期，降低開發成本，以達到產品開發周期和成本的最小化，產品設計質量的最優化和生產效率最高化，從而提高企業的快速響應能力，增強企業的市場競爭優勢。也就是說虛擬制造是對實際制造進行抽象、分析、綜合、得到實際產品的全數字化模型，其最終目標是反作用于實際制造過程，用來指導生產實踐。

虛擬制造技術可以分為三大類：一是以設計為中心的虛擬制造技術；二是以生產為中心的虛擬制造技術；三是以控制為中心的虛擬制造技術。

1）以設計為中心的虛擬制造以設計為中心的虛擬制造是將制造信息加人到產品設計與工藝設計過程中，并在計算機中進行”制造”，仿真多種制造方案和產生許多”軟”的模型，為設計者提供一個設計產品和評估產品可制造性的環境。它的主要支持技術包括特征造型、面向數學的模型設計及加工過程的仿真技術。主要應用領域包括造型設計、熱力學分析、運動學分析、動力學分析、容差分析和加工過程仿真。

2）以生產為中心的虛擬制造以生產為中心的虛擬制造是將仿真能力加人到生產過程模型中，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、產品的生產效率、資源的需求狀況(包括購置新設備、征詢盟友等)，從而優化制造環境的配置和生產的供給計劃。它的主要支持技術包括虛擬現實技術和嵌人式仿真技術，其應用領域包括工廠或產品的物理布局及生產計劃的編排。

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過程中，模擬實際的車間生產，評估車間生產活動，達到優化制造過程的目的。它的主要支持技術有:對離散制造一基于仿真的實時動態調度;對連續制造一基于仿真的最優控制。

1.2 基于網絡的遠程制造

基于網絡的遠程制造技術指的是:面對市場機遇，針對某一市場需要，利用以互聯網為標志的信息高速公路，靈活而迅速地組織社會制造資源，把分散在不同地區的現有生產設備資源、智力資源和各種核心能力，按資源優勢互補的原則，迅速地組合成一種沒有圍墻的、超越空間約束的、靠電子手段聯系的、統一指揮的經營實體—網絡聯盟企業，以便快速推出高質量、低成本的新產品。

實施網絡化制造技術的行為主體是網絡聯盟，因此需從網絡聯盟的全生命周期來考察研究與網絡聯盟相關的一系列問題，網絡聯盟的生命周期按時序大致劃分為:面對市場機遇時的市場分析、資源重組分析、網絡聯盟組建設計、網絡聯盟組建實施、網絡聯盟運營、網絡聯盟終止。

在網絡聯盟全壽命周期內，所涉及到的實施技術涵蓋了以下幾方面:組織管理與運營管理技術;資源重組技術;網絡與通訊技術;信息傳輸、處理與轉換技術等:由于網絡化制造是建立在以因特網為標志的信息高速公路的基礎上，因此必須建立和完善相應的法律、法規框架與電子商務環境，建立國家制造資源信息網，形成信息支持環境。

2 網絡時代的企業虛擬化

傳統的制造企業主要依靠自己的內部和幾個熟悉的合作伙伴進行生產。要同其它企業建立新的合作關系可能需要花費幾個月的時間，因為各項事物如條約、條件、CAD格式等等都需要協商，企業的生產能力也需要確認。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，經常需要手工重新輸人到車間的CAD系統。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。如果發生了錯誤或遇到了困難需要改變設計時，整個循環周期就可能增加50%，甚至更多。

在社會步入網絡時代的今天，為了快速響應市場的需求，圍繞新產品開發，利用不同地域的現有資源、不同的企業或不同地點的工廠，重新組織一個新公司。該公司在運行之前，必須分析組合是否最優，能否協調運行，并對投產后的風險、利益分配等進行評估。這種聯作公司稱為虛擬公司，或者叫作動態聯盟，是一種虛擬企業，它具有集成性和實效性兩大特點的經濟實體。

2.1 虛擬企業

虛擬企業是指分布在不同地區的多個企業利用電子手段，為快速響應市場需求而組成的動態聯盟，是組織、人力、技術、信息等資源在完善的網絡組織結構基礎上的有效集成。虛擬企業是根據市場需求動態去組建，并迅速地在各種構成企業間達到協調，強調在最短時間內以最適合的性能價格比開發市場需求的產品。虛擬企業的特點是企業的功能上不完整、地域上分散和組織結構上非永久性。由于信息和市場的全球化，企業必須不斷創新產品及優化制造過程，快速響應客戶要求，才能取得競爭上的優勢。虛擬企業的企業成員間在邏輯上是一個完整的企業實體，在組織上根據各自企業特點的經濟效益而聯合。當市場機遇不復存在，虛擬企業隨即解體。其最終目標是利用不同地區的現有生產資源，把它們迅速組合成一種沒有界限的、靠電子手段聯系的經營實體，以便快速推出高質量、低成本的新產品。

在虛擬企業中，一個企業設計某種產品并為制造該產品而與其它企業進行合作。要形成這種合作關系，企業需要建立良好的產品設計系統并對合作的企業作出優化選擇。為此，我們需要作兩方面研究:一是在產品設計階段考慮到侯選企業的能力，這種能力是與制造該產品有關的，而非企業的一般能力;二是為比較侯選伙伴提供工具。也就是說建立能夠對企業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，虛擬企業具有加快新產品開發速度，提高產品質量，降低生產成本，快速響應用戶的需求，縮短產品生產周期等優點。因此虛擬企業是快速響應市場需求的部隊，能在商戰中為企業把握機遇和帶來優勢。

2.2 虛擬制造

虛擬制造技術是虛擬現實技術和計算機仿真技術在制造領域的綜合發展及應用，它為制造業帶來全新的概念。它可以全面改進企業的組織管理工作，提高企業整體運作及全面最優決策的效能和市場競爭力。

實施虛擬制造可以打破傳統的地域、時域的限制，通過Internet實現資源共享，變分散為集中，可實現異地設計、異地制造，從而使產品開發能以快速、優質、低耗響應市場變化。通過分析設計的可制造性，利用有效的工具和加工方法來支持生產，可以大大提高產品的質量和穩定性。企業不再需要投入大量的設備和儀器，從而避免了不必要的設備閑置，可充分利用其他企業的先進設備和儀器進行生產，能很好地解決一些中小企業資金短缺的難題。

應用計算機仿真技術，對零件的加工方法、工序順序、工裝的選用、工藝參數的選用，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、運動構件的運動性等均可建模仿真，可以提前發現加工缺陷，提前發現裝配時出現的問題，從而能夠優化制造過程，提高加工效率。

產品生產過程的合理制定、人力資源、制造資源、物料庫存、生產調度、生產系統的規劃設計等，均可通過計算機仿真進行優化，同時還可對生產系統進行可靠性分析，對生產過程的資金進行分析預測，對產品市場進行分析預測等，從而對人力資源、制造資源的合理配置，對縮短產品生產周期，降低成本意義重大。

虛擬制造在工業發達國家，如美國、德國、日本等已得到了不同程度的研究和應用。在這一領域，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中已經大量應用虛擬制造技術，大大縮短了產品的發布時間。美國Ultra Comm公司是生產電子產品的虛擬企業，在美國各地有60多家，數以千計的雇員組成的虛擬電子集團，公司本身只有幾名雇員，該公司利用遍布全美的商務網絡，采用分散設計和制造方式，不同的產品選用不同企業，依靠網絡技術組成的經濟實體，實現市場目標。美國波音公司投資40億美元研制波音777噴氣式客機，是世界上首架以三維無紙化方式設計出的飛機，它的設計成功已經成為虛擬制造從理論研究轉向實用化的一個里程碑。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，投入運營。波音公司分散在世界各地的技術人員可以從777客機數以萬計的零部件中調出任何一種在計算機上觀察、研究、討論，所有零部件均是三維實體模型?？梢娋W絡化的虛擬制造給企業帶來的效益。

3 網絡化虛擬制造應用的現實思考

3.1 全局意義上的規劃和引導

虛擬制造技術與其它的先進制造技術是相互關聯、彼此交叉的，其涉及面廣、技術難度大，研究及推廣應用需要投入大量人力、物力及資金，政府部門應從宏觀上加強對虛擬制造技術的指導，同時要使虛擬制造技術與各種先進制造技術相互銜接、協調發展。

3.2 現實企業的創新與突破

企業在培養和引進高層次、高質量研究型、管理型和開發應用型人才的同時，大力普及CAD/CAM技術，及時推行精益生產、并行工程等思想和技術，全面提高企業員工的技術素質。企業與高校應探索人才的聯合培養新模式，不斷增強科技創新能力。要分階段構建虛擬制造環境，做好全面扎實的基礎工作，在全面實施并行工程的基礎上實施虛擬制造。

3.3 關鍵技術的研究與開發

虛擬制造技術包括軟件技術和硬件技術，其中建模技術、計算機仿真技術和虛擬現實技術等是實施虛擬制造的關鍵技術。我國虛擬制造技術的研究剛剛起步，系統的、全面的研究尚未開展，科研力量分散。建立分布式網絡化研究中心，以企業為主體，產學研相結合，重點投資與自身發展有關的關鍵技術的研究，進行研發和推廣是一條值得深入探索的道路。

4 結論

網絡時代，社會有限資源通過Intranet和Internet技術重新整合，局部有限資源在全球經濟環境中將得到充分利用，人們通過網絡可以享受虛擬游覽、虛擬購物、網上電子商務交易等服務。面對信息時代的到來，企業結構將發生變化，采用網絡化制造模式將有助于提高企業的竟爭力?；诰W絡虛擬制造將是下一代生產制造的一個趨勢。它既是一項先進制造技術又是一種先進制造理念，可以預見，隨著遠程通訊、計算機網絡、數據庫技術等相關技術的發展，利用工業工程思想和分布式網絡化研究中心在新的生產模式和結構重組方面提供的指導和示范，必將為先進制造技術的進一步發展提供更廣闊的空間。

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