科技转型期的船舶配套产品技术发展方向—直面重大的技术挑战与创新崛起

1、科技转型期的船舶配套产品技术发展方向直面重大的技术挑战与创新崛起,陈映秋 2017年8月6日、南京,内 容,一、人工智能、人机交互技术腾飞 的时代已经到来 二、虚拟现实（VR）个人定制基本框架 三、虚拟现实（VR）设计技术应用的深度讨论 四、工信部2017指南的内涵,一、人工智能、人机交互技术腾飞的时代已经到来处在一个更深层次科学技术发展的时代,自2000年以来，信息/数据技术几乎每5年就创新一次，互联网，3D打印、云计算、大数据、虚拟现实（VR）、增强现实（AR）、混合现实（MR） 虚拟现实：人机交互的革命：特性增强（3I） 沉浸性（Immersive）（头盔显示器、数据手套、数据衣）； 交

2、互性（Interaction）（键盘、鼠标与头盔、数据手套等传感设备）； 想象性（Imagination）（通过虚拟现实中的视、听、触、嗅、动觉的传感及反应装置） 的交集,未来的人工智能（AI）将成为人们生活中的一部分，键盘与遥控器成为历史。目前的人工智能仅能做到“弱”人工智能（这是一个长期的时间阶段。,试验验证型设计转为试验驱动型设计,传统的工业大循环研制模式制造模式 “设计制造实物试验交付” 被“设庄计仿真虚拟实验制造实物试验交付” 的嵌套循环研制模式替代,CPS,VR Cloud,Marketing,Small Data,搜集、线索、连接、关联、 因果、补偿、理念,个人能力,未来的企业发

3、展引领技术路线 可以预言：虚拟现实技术与人工智能技术将为船舶工业界开启与引领“超现实之门”的技术变革，其必经技术路线将是：,“传统行业+人工智能+虚拟现实”,VR技术定义,狭义 具有人机交互特征的人机界面（自然人机界面），用户从视觉、听觉、手脚感受虚拟环境的反馈使人具有身临其境的感觉 广义 对虚拟想象（三维可视化）/真实三维世界的模拟，用户通过接受和相应模拟的各种感官刺激，与其中虚拟的人及事物进行交互使人具有身临其境的感觉,VR技术发展的三个主要方面 实物虚化 虚物实化 高性能计算处理技术 VR技术的核心 环境建模 人机交互 立体显示与传感器 应用系统开发 系统集成,VR系统分类,沉浸式（Im

4、mersive） 特点：实时性、沉浸感、软硬件支持、并行处理、系统整合 类型：头盔式、洞穴（Cave）式、座舱式、投影式、远程式 增强（AR）式 桌面式（Desktop） 特点：利用PC和低级工作站进行仿真，交互工具为鼠标、追踪球、力矩球等（成本低但缺乏真实的现实体验） 分布式（Distributed） 特点：共享、伪实体的行为真实感、实时交互、用户相互通信、用户对环境对象进行自然操作 需要考虑：宽带/软硬件的传输延迟、影响系统可扩充、通信的可靠性,About VR in English,Virtual reality(VR) typically refers tocomputer techn

5、ologies that usesoftwareto generate realistic images, sounds and other sensations that replicate a real environment (or create an imaginary setting), and simulate a users physical presence in this environment, by enabling the user to interact with this space and any objects depicted therein using sp

6、ecialized display screensor projectors and other devices. a realistic and immersive simulation of a three-dimensional environment, created using interactive software and hardware, and experienced or controlled by movement of the body immersive, interactive experience generated by a computer,计算机系统硬件发

7、展为虚拟现实的发展奠定了基础,The use of 3Dcomputer-aided design(CAD) data was limited by 2D monitors and paper printouts until the mid-to-late 1990s, when video projectors, 3D tracking, and computer technology enabled a renaissance in the use 3D CAD data in virtual reality environments. With the use of active shu

8、tter glasses and multi-surface projection units immersive engineering was made possible by companies like VRcom andIC.IDO. Virtual reality has been used in automotive, aerospace, and ground transportation original equipment manufacturers (OEMs) in their product engineering and manufacturing engineer

9、ing . Virtual reality adds more dimensions to virtual prototyping, product building, assembly, service, performance use-cases. This enables engineers from different disciplines to view their design as its final product. Engineers can view the virtual bridge, building or other structure from any angl

10、e. As well, some computer models allow engineers to test their structures resistance to winds, weight, and other elements. Immersive VR engineering systems enable engineers, management and investors to see virtual prototypes prior to the availability of any physical prototypes,以提高设计精度/质量、降低生产成本、产品创新

11、提高企业和用户的生态系统改变为目标，以船舶工业设计和制造传统模式为手段，结合三维建模、产品生命周期管理（PLM）、工程虚拟现实技术、虚拟性能样机技术、沉浸式虚拟装配技术、结构设计/仿真/测试大数据和机器学习技术、人机工程/虚拟驾驶技术、制造工艺仿真、新材料及新工艺方法仿真优化等技术的研究，推动船舶工业智能研发和智能制造模式变革,传统行业+人工智能（AI）+虚拟现实（VR）,在指数级技术增长和爆炸式颠覆下产品设计和制造的价值再定义 创造产品及价值的流程新模式: 前提是100%的3D设计 自主虚拟原型样机过程：仿真模型建立（3D/4D）/浸入式被动虚拟样机/主动虚拟样机（机器学习）/自主虚拟个性化

12、样机,虚拟原型样机(Virtual Prototype)定义：敏捷(agile), 智能(smart) , 1:1(虚拟样机：物理样机）和可以感知/体验 从材料及材料参数、虚拟运行环境、虚拟性能、可制造性/工艺、虚拟维护/服务。,二、虚拟现实（VR）个人定制基本框架,（一）工业制造虚拟现实（Virtual Reality, VR） （二）虚拟现实平台定制 （三）硬件与软件条件 （四）虚拟试验 （五）虚拟设计、装配、试验平台实施 （六）VR技术最新进展,（一）工业制造虚拟现实（Virtual Reality, VR）,1、传统制造业创新产品成本高昂 2、工业设计/制造概念正在发生重大变化 3、虚

13、拟设计、虚拟试验平台建设目的,1、传统制造业创新产品成本高昂,传统 产品设计主要依靠数值仿真和试验验证，一般在产品结构设计完成后，通过数值仿真进行性能分析，然后在试验台上进行硬件试验验证，如果发现产品设计问题，则修改设计方案和参数，再进行试验，如此反复迭代调优性能。这样的设计方法，存在较多制约： 硬件试验的试验周期和成本较高，对设计更改把的响应速度慢。 一般性的数值仿真仅能起到辅助试验验证的作用，没有真正达到驱动设计、加快试验进程和节省试验成本的目的。 对不同项目或型号设计，数值仿真模型需要重新建模，重复建模的工作量大且限制分析效率。 鉴于以上因素，发展具有快速试验验证能力的产品虚拟样机试验平

14、台成为必需。 由于经济成本限制，创新过程不易复制，不利于寻找问题（发现细节，细节决定成败！），不利于多方案寻优。,2、工业设计/制造概念正在发生重大变化,制造模式变化：传统的工业制造模式被“设计制造实物试验交付”大循环研制模式统治着，但是今天它却要被“设庄计仿真虚拟实验制造实物试验交付” 的嵌套循环研制模式替代，仿真（Simulation）和虚拟（现实）试验的作用越发凸显。 虚拟样机开发是融合设计者物理样机创新能力、考虑物理样机试验环境、试验流程（Procedures）、试验大纲的综合能力的成果，因此设计者的能力与水平及传统的产品设计成果都可以很好加以应用，人工智能（Artificial In

15、telligence, AI）成为虚拟样机开发的亮点。 虚拟试验样机虚拟模型通过虚拟夹具安装在虚拟试验台上，并模拟施加实测的环境工况，通过计算机综合计算，一方面可以测量数字化样机和试验夹具上的动态响应，对预定的试验方案进行验证，对试验夹具的适用性进行评估，还可以对产品在给定环境条件下的疲劳和耐久性。采用这种手段，可提高实物试验的成功率（对试验请求和设计方案更改的快速响应，加快试验设计进程，保证物理试验有效可靠），减少调试时间和试验的次数，进而缩短研制周期、降低研制成本，减小设计风险。试验平台实现了试验不受场地、时间和次数的限制，可对试验过程进行回放、再现和重复，可以处理实物试验难以处理的复杂系

16、统和问题。 虚拟（试验）样机的虚拟试验是产品试验方案验证、试验夹具（边界条件）适用性验证、新材料应用、装配过程验证和产品功能验证的有力工具，是现代人机对话发展到最高水平的标志。 产品设计概念变化：试验验证型设计转为试验驱动型设计 浸入式虚拟概念（Immersive Virtual Concept, IVC）贯彻始终,3、虚拟设计、虚拟试验平台建设目的,通过虚拟设计、虚拟试验平台的构建，达到以下目标： 虚拟试验平台能够满足在计算机中完成于物理试验流程一致的虚拟试验； 能够完成物理试验平台设计方案的验证与优化。能够建立完整的系统模型，进行方案选型和设计验证； 基于此虚拟试验系统，可以建立试验台模型

17、、工装夹具模型、试件模型，并将试件模型与试验台模型进行装配，完成各种工况的试验； 能够对试验夹具模型的频域传递性进行检查，对夹具的（数学模型）试验和随机试验的适用性进行检查； 建立的虚拟试验平台，其操作过程应简便快捷，应具备自动建模的能力。虚拟试验结果能以直观的动画及曲线形式反映出来，对真实物理提供指导意义。 能够形成虚拟试验模型数据库，包括设计模型库、实验设备库、实验工装库、材料数据库、环境参数库、测试结果数据库等。并通过该系统对试验数据进行有效管理。 完成基础人才的培养,（二）虚拟现实平台定制,对每一个产品/每一个工厂，由于 产品的技术指标（可靠性指标及具体技术参数） 产品特点（功能、尺寸

18、） 生产流程（装配工艺水平） 生产软件、硬件（生产条件） 管理制度（考核办法） 人才条件（设计创新水平） 等等因素不同需要进行工厂的虚拟现实平台的定制 目标：进行虚拟样机设计、构建虚拟样机试验系统（平台） 进行虚拟样机设计：3D设计（满足VPS、Visual system、In-home的条件） 虚拟样机试验系统的技术要求 计算机中完成于物理样机试验流程一致的虚拟试验，虚拟试验系统涉及真实物理试验的所有关键设备和环节 虚拟试验结果可以以直观的动画及曲线形式反映出来，对真实物理具有指导作用。 软件（包含数据库）可以管理所有的物理和虚拟试验数据及相关信息 软件的模型修正模块可以对分析模型进行修正

19、夹具分析模块（虚拟边界条件）可以对夹具的选择与设计提供帮助 试验条件分析模块可以对高量级试验条件进行预测与分析,工厂与专业软件公司合作,每项6个月,定制化的虚拟现实系统（平台）, 适应各领域应用 绝对真实 实现完美的感受目标 实时性（小于20毫秒） 解决跟踪精度/不延迟 跟踪范围尽可能宽 高分辨率的全场视觉 高分辨率的伴声通道 专利硬件 快速绘图 并行计算 网络共享 解决算法 解决不相容 与多媒体融合（出片） 增强现实应用 网络3D技术 3D 与新奇的用户界面 良好视觉,VR发展10余年已经解决的核心（技术）问题, 信号处理学（Signal processing） 光学（Optics） 声学（

20、Acoustics） 计算机学（Computer science） 加工技术（Process tech.） 人体工程学（Ergonomics） 机器人学（Robotics） 计量学（Measurement tech. 教育学（Pedagogy） 电子学（Electronics） 社会学（Sociology） 心理学（Psychology） 艺术（Art） 生理学（Physiology） 其他（Etc. etc.）,虚拟现实技术需要各种科学领域知识配合,（三）硬件与软件条件,VR定义（definition） No one common definition for VR, but common

21、characteristics 真实世界仿真（emulating the real world） 使得电子世界在感官上变为真实（making an electronic world seem real ） 模仿真实世界（Trying to mimic real world ） 超越平面监控进入3D（Beyond the flat monitor Immerse in 3-D visual world） 所需硬件（hardware） 浸入式体验立体显示头盔 （Immersive experience Stereo display ） 两快小屏幕（Two miniature screens ） 深

22、度感受（Depth perception ） 运动跟踪器（Motion Trackers） 方位跟踪（Keep track of position）： 惯性盒/声音磁盘/位置仪 （Inertial boxes/Sonic Discs/Potentiometers 头部跟踪器与身体跟踪器（Head trackers 模型可通过SimulationX中规范化和图形化的开发工具Type Designer 来创建，其编程语言基于Modelica，如图所示; 模型可以通过显式或隐式的代数方程组和微分方程组来描述; 用户自己编写的C代码可通过外部函数接口集成到SimulationX中; 基于COM接口，用

23、户可开发自己的数据交换程序，用于前后数据处理或与其他软件进行数据交换; 在各种流行的CAD软件中生成的几何图形，可通过STL接口输入; 实时硬件在线仿真 Pro/Engineer，CATIA等 提供3D设计数据，完成虚拟样机设计的前提,（四）虚拟试验,虚拟试验流程模块（在胖客户端） 模型导入（虚拟模型样机） 夹具（fixture）模型选择 夹具模型综合到振动台模型 模型综合到夹具-振动台模型 设置载荷加载点、控制点，响应限幅控制点、测点 试验条件设置，试验参数设置 虚拟试验仿真计算 虚拟试验回放演示 虚拟试验数据分析 模型修正 预测制定高量级试验条件 高量级虚拟实验结果 虚拟、物理试验结果对比

24、分析评价 报表统计，形成虚拟试验报告,夹具（fixture）是一个策略/装置（device ）它可以在加工过程中查找、支持工件的定位与定向，保证产品的质量、缩短产品的 制造周期和降低生产成本. 计算机辅助设计（Computer aided fixture design，CAFD）成了计算机辅助设计/制造（CAD/CAE）装配中的重要角色，当前的设计技术不具备VR技术特征。 诺丁汉大学（University of Nottingham)与罗-罗公司（Rolls Royce）的长期合作研究夹具与组件、加工、过程计划与检查的关系；,虚拟（振动）试验流程图,（五）虚拟设计、装配、试验平台实施,项目实施

25、框架,一）实施,1、项目计划 明确双方的项目组成员，建立团队的工作环境及沟通机制。确定项目阶段的实施目标和范围，并得到双方的确认。最后还要确认项目实施的IT环境，这里包括软件i、硬件以及网络环境。在此阶段完成项目组及其项目相关成员的概念培训，了解并掌握ESI平台系统的基本思想。 阶段成果 项目计划 项目计划文件 2、需求分析和方案设计 需求调研是获取客户当前实际情况的关键环节，通过需求分析可以勾画出客户当前的状况（As-Is）。同时，获得各相关专业的业务蓝图（To-Be）。经过差异分析，制定出平台系统的总体方案。在此阶段完成原型系统的安装，以及掌握ESI平台系统的配置、管理和应用开发的基本方法

26、。 阶段成果 需求分析报告 系统总体方案 系统安装报告 概念培训文档,3、功能开发和系统实施 根据系统的总体方案，确定功能模块的定义，并按各个功能模块要求完成系统的定制及软件的开发工作。将开发的结果集成、配置在服务器上，完成平台系统功能性开发工作。该阶段还将按不同的客户端的要求，完成客户端界面的定制。最终的平台系统还要经过测试。 阶段成果 客户化开发详细设计 系统配置文档 用户测试报告 最终用户培训手册 4、平台运行与验收 选取一个组进行试运行，并根据结果对系统作优化。为了使平台系统能顺利上线，还需完成对最终用户进行培训的工作，以及一段时间的软件公司的上线支持。用户成功使用后进行验收。 阶段成

27、果 系统维护手册 项目验收报告,二）系统实施中的沟通与时间节点1、沟通机制,2、时间节点（一般性规律） 对每一种典型产品，需要的（周期）时间如下，在产品（虚拟样机与虚拟试验）开发成功后可以并行开展工作，提高效率，缩短周期。,三、虚拟现实（VR）设计技术应用的深度讨论,（一）VR技术最新工程化进展 （二）主流VR技术平台的比较（简述） （三）如何做好建立虚拟设计装配试验平台 建议,（一）VR技术最新工程化进展,（一）VR工程概念进步验证了摩尔定律：大约18至24个月，IT企业的技术就会更新换代一次。Oxford大学报告指出：中国77%的工作都有被机器人代替的可能，甚至包括一些脑力劳动者。 数字双

28、胞胎概念（Digital Twin）(2017)，对虚拟试验更为逼真物理试验的形象描述 VRify概念的提出（ESI），全球首个VR Cloude解决方案 虚拟试验验证刚体/弹性体的运动特征 支持用户实际使用的设备及全部相关的CAD设计 在使用范围、计算机与可视化方面基本没有限制 （二）不同阶段的关注点（根据技术发展过程确定） 1、PLM（产品生命周期管理）/DMU（电子样机，Digital Mock-Up）, 关注产品开发阶段，基于： 分析： 基于产品功能的设计； 仿真： 基于学科的验证和测试 样机： 沉浸式多学科环境、敏感性、优化和认证（部件、子系统） 2、PPL/TWIN: 关注产品运行

29、、维护（与服务与市场建立起必然联系） 系统集成和缺陷敏感性、可靠性 基于大数据和机器学习的模式识别 运行环境的建模 基于物联网（IoT）环境的数据驱动,“浸入虚拟方法”（Immersive Virtual Method，IVM）为人类迄今为止的创新活动推出了最为经济与科学的手段,迄今为止在理论上，人类对发生自然现象的理解并不完全成功，表现在采用数理方程有限地描述自然现象。例如在海洋技术领域（如波浪的理论描述，船舶/海洋工程中所采用的等效波概念、大波/畸形波概念、地震预报领域、原子能利用领域（如福岛2011年3月11日的核事故），VLFs模型试验的小波概念、冰水池试验中的冰物理模拟概念，存在诸多

30、的不定性。 因此，即使采用物理试验手段，也是有限地验证实际工程中可能发生的现象反映了物理试验也并不完全等同于实船试验，物理试验的结果（运动、动力、重力相似）往往具有偏危险的结果 人类解决问题的最高手段是进行实物试验（找到修正模型试验的途径，如尺度效应等；事故处理（如上个世纪70年代国际上出现的集装箱船弯扭组合事故（Sea-Land Seven，实船试验开展了20余年、DnV在大西洋航线上进行大型矿砂船的“波激振动（Springing）”试验）直到2015年MOL Confort 事故发生）、海上大型浮体充分表达了这么一个领域，甚至为了消弭水池试验与实体之间的“尺度效应”，不惜采用实际海况环境中

31、的更大尺度（尺度比例进一步放大）的物理试验（如东京湾中的1000米浮体的力学试验（比例接近3比1）。,（二）主流VR技术平台的比较（简述）,目前主流的VR软件及功能 Techviz： 2003年成立（法国巴黎），运用了计算机图形学和高性能计算学在3D实时渲染领域开发了多种解决方案，分为TechViz XL 、TechViz Turbo 、TechViz Immersive 三类产品 Delmia：达索公司，DELMIA 建立了数字化制造的核心，服务于整个产品生命周期。 DELMIA可与主要的CAD、PDM 和ERP系统集成。 3DVIA(virtools)：法国公司的3D可视化编程开发平台，可

32、以制作出许多不同用途的3D产品，如网际网络、计算机游戏、多媒体、建筑设计、交互式电视、教育训练、仿真与产品展示等。 IC.IDO：ICIDO(或作IC.IDO)是法国ESI集团为用户提供的虚拟现实解决方案和可视化设计制造决策平台(VDP)。做到“的虚拟现实解决方案及可视化设计制造决策平台将大大的弥补传统CAD数字样机的不足，使其与真实物理样机更近一步。主要是借助于图纸和样机来逐步完善产品的研发方式过渡到利用虚拟样机和虚拟装配来辅助产品设计的阶段。 3Dexcite（RTT）：德国公司，1999成立于Munich，Established in Munich in 1999, RTT develo

33、ps creative and fascinating 3D visualization solutions, which bring products to life in real time and portray them in a natural and realistic environment.,主流VR软件比较（1）,主流VR软件比较（2）例,（三）如何做好建立虚拟设计装配试验平台建议,一）研究目标：以船舶配套设备的创新设计为目标，建立虚拟现实环境下的（疲劳）可靠性虚拟试验平台 二） （疲劳）可靠性虚拟试验平台建立拟采用两步走的策略 （一）公共技术开发 1、有限元模拟技术 模型工

34、程化简化与强度标准对应 2、环境模拟技术 Fixture技术开发与应用 3、对应产品的特殊要求 液货系统运行控制环境0D/1D的模型（需要SimulationX或AMESIME） （二）技术路线 1、确定性试验平台（在12个月内建成） （1）强度、屈曲（稳定性）技术应用与建模技术 （2）振动/噪声技术应用与建模,（三）如何做好建立虚拟设计装配试验平台建议（续，德国迈尔船厂（A Cruise Shipbuilding Company）心得，Meyer Werft）,In order to further improve the quality and simplify procedure of

35、the construction and production, the virtual-reality-room is used by the equipment providers. Thus, before a structural element or a room（Cave） is build, it can be examined from all sides. Our experts from the technical- and production departments can thus view certain areas and rooms of a ship alre

36、ady during the planning phase（difference from simulation）. For example the engine room, the theatre or the laundry can be looked at in detail. For these areas, the complete steel models, the coordination models including pipelines, shafts and cables as well the equipment model are read in and depict

37、ed three-dimensionally. Thus it is possible to discuss potential sources of error and to circumvent errors right from the outset. Improvements can also be discussed here before the actual construction and be implemented accordingly later on. Also the whole construction-strategy for a cruise ship can

38、 be developed and reviewed by means of the VR-room. IC IDO(ESI)在德国迈尔船厂使用目标 建造过程优化 销售与市场的改善 使用情景 服务与维护中的装配（更换）,德国迈尔船厂船体虚拟装配,2、非确定性试验平台（在18个月内完成） （1）建立产品疲劳可靠性虚拟模型 完整型模型 缺陷型模型？ （2）可靠性虚拟试验规程 与寿命等效的试验模型（加载、加力点、循环数量、材料性能） （3）基于物理试验验证的虚拟预报技术 3、关键技术提炼 （1）建模技术：系统建模、基于PGD(模型缩减技术)建模、可靠性或缺陷预测下的建模、虚拟现实模型轻量化 （2）控制参数和虚拟样机的接口技术，以及和虚拟环境下的数据接口技术 （3）可靠性，缺陷预测和分析技术,研究内容（1）,软件公司加入虚拟平台的定制化研究 系统运行控制环境0D/1D的模型研究（0D经验公式，传递函数建模；1D数理方程建立动态特性） 建立系统控制模型 分析仿真针对液货装卸过程中的传输压力、流向、流速等参数下液货装卸效果 优化、验证控制参数、控制策略 3D的虚拟样机的建模技术研究 几何样机 性能样机 操作环境样机 以及经虚拟仿真后，含缺陷故障预测的性能样机 控制系统和三维虚拟样机的联