虛擬制造的基本概念及研究開發(fā)動向

虛擬制造的基本概念及研究開發(fā)動向虛擬制造作為21世紀制造技術的核心，已受到了世界各國的高度重視。本文從信息變換等價性的觀點、分析了虛擬制造系統(tǒng)與真實生產系統(tǒng)的相互對應關系，探討了虛擬制造的基本概念，介紹了國際主要研究動向及應用領域。1、虛擬制造的基本概念

虛擬制造（VirtualManufacturing:VM）的研究與開發(fā)利用已引起各國的高度重視，尤其是歐美、日本等工業(yè)發(fā)達國家，竟相投入大量人力，物力進行VM的研究與開發(fā)。

什么是虛擬制造，目前各國學術者尚未形成統(tǒng)一的認識，籠統(tǒng)的理解是：在計算機內構造虛擬的生產系統(tǒng)模型，進行實際生產過程的模擬。本文將從信息變換等價性的觀點出發(fā)，分析VM系統(tǒng)與實際生產系統(tǒng)的相互對應關系，探討VM的基本概念，并介紹目前國際上虛擬制造研究的方法、手段、研究開發(fā)的動向及VM的廣闊應用前景。

1.1實際制造與虛擬制造

如圖1（a）所示，實際生產系統(tǒng)具有對“物質”、“信息”、“能源”進行轉換的功能，即投入原材料、生產、信息電力等能源，制造出所需要的產品及與產品相關的信息，并排放出作為副產品的余熱等能源。通常把在生產系統(tǒng)內進行的上述轉換活動稱為制造。由此，VM可以理解為：將實際生產中的“物質”和“能源”信息化，針對實際生產系統(tǒng)中的信息及被信息化的“物質”和“能源”實現與實際生產在信息上的等價轉換，這樣的轉換形式稱為虛擬制造（如圖1（b）），即VM過程雖然沒有制造出實際產品，但卻生成了有關產品的信息及制造產品所需的信息。

圖2進一步表明了實際生產與虛擬制造的關系。R1、R2表示真實生產實施前后的狀態(tài)，V1是將R1信息化處理后的模型，V2是擬實制造系統(tǒng)信真后的結果。R2與V2在信息上應是等價的。

圖1實際生產與虛擬制造的定義

圖2實際生產的信息化與仿真

1.2虛擬制造系統(tǒng)

基于信息變換等價性的實際生產系統(tǒng)和虛擬制造系統(tǒng)，在概念上也可進一步被看成是由“物理系統(tǒng)”和“信息系統(tǒng)”組成的，即生產系統(tǒng)內部存在著設備原材料、產品等物理實體和生產計劃、任務書、產品性能要求等信息實體。由物理實體構成的部分稱為“物理系統(tǒng)”（PhysicalSystem）；由信息實體構成的部分稱為“信息系統(tǒng)（Informationsystem）”、即生產系統(tǒng)由實施制造的物理系統(tǒng)和對物理系統(tǒng)進行管理（包括計劃、控制）的信息系統(tǒng)構成。工廠的生產車間可被看作物理系統(tǒng)，而生產管理部門則可被認為是信息系統(tǒng)的一部分。ManTech(DoDManufacturingTechnologyProgram,Dept.ofDefense).TheJAST(JointAdvancedstrikeTechnology).FastTrackProgram(USAirForce).以產業(yè)界團體為中心進行的作為VM基礎的VM系統(tǒng)建模及標準經項目主要有：SEMI(SemiconductorEquipmentandMaterialsInternational)SECSI/II(SEMIEquipmentCommunicationStandardI/II)HSMS(High-speedSECSMessage)GEM(GenericEquipmentMoldel)VFEI(VirtualFactoryEquipmentInterface)OMG(ObjectManagmentGroup)CORBA(CommonObjectRequestBrokerArchitecture)ATARI(AgileTextile-AppraleResearchInitiative)SME(SocietyofManufacturingEngineers)CONDUIT(CooperativeNetworkforDual-useInformationTedinology)美國的眾多大學及研究機構、則把VM看作21世紀生產的核心，紛紛從不同方面對VM進行研究。PurdueUniversity:projectSONOMA(WWWbasedVirtualFactory)IowaLehighWashingtonstateUniversity:VirtualEnvironmentforDesignandManufacturingMIT:LeadersforManufacturingprojectMarylandUniversityofIllinoisatChicago:FactoryModelsUsingVR(WithNIST)在歐洲、許多大學及研究機構通過相互間的合作，并聯合企業(yè)共同進行VM的研究。AvirtualworkshopforDesignbyManufacturing(UniversityofBath,MOSES(ModelOrientedSimultaneousEngineeringSystem,Univ.ofLeedsandLoughboroughUniversityofTechnology,VirtualManufacturingGroup(Herriot-WattUniversity,VirtualFactoryforEducation(Pohjois-savopolytechnic,Finland)在日本、目前也已形成了以大阪大學為中心的研究開發(fā)力量，主要正在進行VM系統(tǒng)的建模和仿真技術的研究，并開發(fā)出了虛擬工廠的構造環(huán)境VirtualWorks。4、VM的應用領域VM的實現將會對制造業(yè)中日益自動化、復雜化、大規(guī)?；闹圃煜到y(tǒng)進行更為詳細的設計、仿真及評價，并能夠實現在信息空間里對大規(guī)模、復雜，隨時間變化的生產系統(tǒng)給予明確的“規(guī)定”、“推定”、“預測”，其主要應用領域有以下幾方面：(1)設計、生產規(guī)劃通過VM的應用，實現生產系統(tǒng)（包括系統(tǒng)組成、功能、動作）的更為詳細的、多方位、拓整個生命周期下的設計和計劃。(2)工廠運轉未來的工廠將是一個信息化的工廠，VM系統(tǒng)可很方便地接受，處理工廠中的各種信息，并可做出適當的解釋以及實現對工廠狀態(tài)監(jiān)測及異常診斷。(3)生產預測VM系統(tǒng)可以在實際生產之前、實現對生產過程的預測，包括交貨期、生產產量、質量、設備狀態(tài)等。(4)生產教育實現對工廠生產人員的操作訓練，異常工藝時的應急處理訓練等，另外，對于不具備大規(guī)模生產設備的大學，可以進行生產系統(tǒng)的設計，運轉等練習。虛擬制造系統(tǒng)將使設計、生產、管理、信息處理及其各自相關的領域更加緊密地結合起來，所要實現的制造系統(tǒng)將更具有柔性、更富有效率，同時也將會進一步促進通信、網絡、數據庫，人工智能等關聯技術的發(fā)展。最終實現提高制造業(yè)國際競爭力的目標。主要參考文獻[1].Owen,J.V.,1994,MakingVirtualManufacturingReal,ManufacturingEngineering,Vol.113,No.5,33-37.[2].TechnicalReportofVirtualManufacturingUserWorkshop,Dayton,[3].Onosato,M.,Iwata,K.,DevelopmentofaVirtualManufacturingSystembyIntegratingProductModelsandFactoryModels,AnnalsoftheCIRP,Vol,42,No.1,(1993),475-478.[4].Iwata,K.,Onosato,M.,osaki,s.,AmodellingandsimulationarchitectureforVirtualmanufacturingsystems.AnnalsoftheCIRP,Vol,44,(1995),399-402.[5].Kimura,F.,ProductandprocessModellingasakernelforVirtualManufacturingEnvironment,AnnalsofCIRP,Vo