虚拟制造的基本概念及研究开发动向

虚拟制造的基本概念及研究开发动向虚拟制造作为21世纪制造技术的核心，已受到了世界各国的高度重视。本文从信息变换等价性的观点、分析了虚拟制造系统与真实生产系统的相互对应关系，探讨了虚拟制造的基本概念，介绍了国际主要研究动向及应用领域。1、虚拟制造的基本概念

虚拟制造（VirtualManufacturing:VM）的研究与开发利用已引起各国的高度重视，尤其是欧美、日本等工业发达国家，竟相投入大量人力，物力进行VM的研究与开发。

什么是虚拟制造，目前各国学术者尚未形成统一的认识，笼统的理解是：在计算机内构造虚拟的生产系统模型，进行实际生产过程的模拟。本文将从信息变换等价性的观点出发，分析VM系统与实际生产系统的相互对应关系，探讨VM的基本概念，并介绍目前国际上虚拟制造研究的方法、手段、研究开发的动向及VM的广阔应用前景。

1.1实际制造与虚拟制造

如图1（a）所示，实际生产系统具有对“物质”、“信息”、“能源”进行转换的功能，即投入原材料、生产、信息电力等能源，制造出所需要的产品及与产品相关的信息，并排放出作为副产品的余热等能源。通常把在生产系统内进行的上述转换活动称为制造。由此，VM可以理解为：将实际生产中的“物质”和“能源”信息化，针对实际生产系统中的信息及被信息化的“物质”和“能源”实现与实际生产在信息上的等价转换，这样的转换形式称为虚拟制造（如图1（b）），即VM过程虽然没有制造出实际产品，但却生成了有关产品的信息及制造产品所需的信息。

图2进一步表明了实际生产与虚拟制造的关系。R1、R2表示真实生产实施前后的状态，V1是将R1信息化处理后的模型，V2是拟实制造系统信真后的结果。R2与V2在信息上应是等价的。

图1实际生产与虚拟制造的定义

图2实际生产的信息化与仿真

1.2虚拟制造系统

基于信息变换等价性的实际生产系统和虚拟制造系统，在概念上也可进一步被看成是由“物理系统”和“信息系统”组成的，即生产系统内部存在着设备原材料、产品等物理实体和生产计划、任务书、产品性能要求等信息实体。由物理实体构成的部分称为“物理系统”（PhysicalSystem）；由信息实体构成的部分称为“信息系统（Informationsystem）”、即生产系统由实施制造的物理系统和对物理系统进行管理（包括计划、控制）的信息系统构成。工厂的生产车间可被看作物理系统，而生产管理部门则可被认为是信息系统的一部分。ManTech(DoDManufacturingTechnologyProgram,Dept.ofDefense).TheJAST(JointAdvancedstrikeTechnology).FastTrackProgram(USAirForce).以产业界团体为中心进行的作为VM基础的VM系统建模及标准经项目主要有：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)美国的众多大学及研究机构、则把VM看作21世纪生产的核心，纷纷从不同方面对VM进行研究。PurdueUniversity:projectSONOMA(WWWbasedVirtualFactory)IowaLehighWashingtonstateUniversity:VirtualEnvironmentforDesignandManufacturingMIT:LeadersforManufacturingprojectMarylandUniversityofIllinoisatChicago:FactoryModelsUsingVR(WithNIST)在欧洲、许多大学及研究机构通过相互间的合作，并联合企业共同进行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学为中心的研究开发力量，主要正在进行VM系统的建模和仿真技术的研究，并开发出了虚拟工厂的构造环境VirtualWorks。4、VM的应用领域VM的实现将会对制造业中日益自动化、复杂化、大规模化的制造系统进行更为详细的设计、仿真及评价，并能够实现在信息空间里对大规模、复杂，随时间变化的生产系统给予明确的“规定”、“推定”、“预测”，其主要应用领域有以下几方面：(1)设计、生产规划通过VM的应用，实现生产系统（包括系统组成、功能、动作）的更为详细的、多方位、拓整个生命周期下的设计和计划。(2)工厂运转未来的工厂将是一个信息化的工厂，VM系统可很方便地接受，处理工厂中的各种信息，并可做出适当的解释以及实现对工厂状态监测及异常诊断。(3)生产预测VM系统可以在实际生产之前、实现对生产过程的预测，包括交货期、生产产量、质量、设备状态等。(4)生产教育实现对工厂生产人员的操作训练，异常工艺时的应急处理训练等，另外，对于不具备大规模生产设备的大学，可以进行生产系统的设计，运转等练习。虚拟制造系统将使设计、生产、管理、信息处理及其各自相关的领域更加紧密地结合起来，所要实现的制造系统将更具有柔性、更富有效率，同时也将会进一步促进通信、网络、数据库，人工智能等关联技术的发展。最终实现提高制造业国际竞争力的目标。主要参考文献[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