（机械制造及其自动化专业论文）支持柔性加工单元的虚拟制造操作环境的若干基础问题研究与应用.pdf

华中科技大学博士学位论文 摘要 l 虚拟制造被认为是二十一世纪制造战略目标，正曰益受到世界各国政府与学 者的关注和重视。) 本文结合计算机技术，从对先进制造技术目前发展的现状与问 题分析出发，详细论述了虚拟制造操作环境研究的若干问题及其关键支持技术。 首先，在总结虚拟制造研究成果的基础上，提出了基于虚拟分层思想的虚拟 制造操作环境的概念，并研究了其特征、体系结构及其若干理论。 其次以柔性加工单元( f m c ) 为支持对象，进一步研究了虚拟制造操作环境 多任务仿真应用、数据库应用、分布式应用开发中的若干建模理论、方法与技术。 ( 研究了支持f m c 的虚拟制造操作环境多任务仿真应用开发层次结构。用 o p e n g l 开发了f m c 加工过程三维动画仿真模块。建立了基于事件驱动的两维 f m c 多任务仿真体系、控制策略及相关算法，并将其运用到f m c 多任务仿真应 用系统开发中。 研究了支持f m c 的虚拟制造操作环境数据库应用开发层次结构。建立了支持 f m c 数据库应用开发的优化关系数据库模型。设计了f 数据库的数据安全方案 和数据安全交互协议，开发了f m c 虚拟制造操作环境数据库系统，实现了对f m c 生产的高效、安全管理。 针对制造应用开发中的异构集成与代码重用等问题，提出了支持f m c 的虚拟 制造操作环境分布式应用开发层次结构。针对f m c 分布式单行机床布局问题， 改进了最大生成树布局算法，创建了分布式布局应用开发策略，并相应地开发了 基于组件模型的f m c 单行机床布局应用系统。广、。 最后，研究了面向对象模型量化评价方法。探讨了f m c 虚拟制造操作环境模 型的复杂度评价方法。 关键词：虚拟制造虚拟制造操作环境多任务仿真，分布式制造 面向对象模型评价 7 华中科技大学博士学位论文 a b s t r a c t v i r t u a lm a n u f a c t u r i n gi sr e g a r d e da s t h e t a r g e t o fd e v e l o p i n g2l ”c e n t u r y s m a n u f a c t u r i n g ，a n di ti sp a i da t t e n t i o nb yg o v e r n m e n t a n ds c h o l a r so v e rt h ew o r l d f r o m a n a l y z i n gt h ep r e s e n ts i t u a t i o no f a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yw i t hc o m p u t e r t e c h n o l o g y , t h et h e o r y , k e yt e c h n i q u e s a n ds u p p o r tt o o l so fv i r t u a lm a n u f a c t u r i n g 0 p e r a t i o ne n v i r o n m e n tr v m o e ) a r e s t u d i e di nt h i sd i s s e r t a t i o n f i r s t l y , i nv i e wo f t h ef r u i to fv i r t u a lm a n u f a c t u r i n g v m o eb a s e do nt h ei d e ao f v i r t u a lh i e r a r c h yi sp r o p o s e da san e w c o n c e p t 。a n di t sf e a t u r e s ，h i e r a r c h y , a n dt h e o r i e s a r es t u d i e d s e c o n d l y , t h em o d e l i n gt h e o r y , m e t h o d a n dt e c h n o l o g yo f v m o ea r es t u d i e df u r t h e r t o d e v e l o p m u l t i t a s ks i m u l a t i o n a p p l i c a t i o n d a t a b a s ea p p l i c a t i o n a n dd i s t r i b u t e d a p p l i c a t i o nf o rf l e x i b l e m a n u f a c t u r i n ge e l l 佰m c l 1 1 l e h i e r a r c h ys t r u c t u r eo fv m o e f o rd e v e l o p i n gm u l t i t a s ks i m u l a t i o na p p l i c a t i o n f o rf m ci 5s t u d i e d t h e3 da n i m a t i o nm o d u l ef o rf m cp r o c e s s i n gs i m u l a t i o ni s d e v e l o p e dw i t ht i l e u s eo fo p e n g l t h e2 dm u l t i - t a s ks i m u l a t i o ns y s t e m c o n c u r r e n t s t r a t e g ya n dr e l a t e da r i t h m e t i cb a s e do ne v e n t d r i v e na r ee s t a b l i s h e d b a s e do nt h e m a m u l t i t a s ks i m u l a t i o na p p l i c a t i o nf o rf m ci sd e v e l o p e d t h eh i e r a r c h ys t r u c t u r eo fv m o ef o rd e v e l o p i n gd a t a b a s ea p p l i c a t i o nf o rf m ci s s t u d i e d t h e o p t i m i z e d r e l a t i o nd a t a b a s em o d e lf o r d e v e l o p i n g f m cd a t a b a s e a p p l i c a t i o ni sd e s i g n e d i nv i e wo fi n f o r i l l 【a t i o ns e c u r i t y , t h es c h e m eo fi n f o n n a t i o n s e c u r i t ya n de x c h a n g ep r o t o c o la p p r o p r i a t ef o rt h er e q u i r e m e n to f d a t as e c u r i t yf o rf m c i se s t a b l i s h e d m o r e o v e r , t h ep r o d u c t i o nm a n a g e m e n tf o rf m ci sr e a l i z e de 衢c i e n t l ya n d s e c r e t l yb yd e v e l o p i n g ad a t a b a s es y s t e mo fv m o e a i m i n g a t s o l v i n g t h ei s s u e so fi n t e g r a t i o n d i f f i c u l t y a n dc o d er e u s ei nt h e d e v e l o p m e n t o fm a n u f a c t u r i n g a p p l i c a t i o n ，t h eh i e r a r c h y s t r u c t u r eo fv m o ef o r d e v e l o p i n g d i s t r i b u t e d a p p l i c a t i o n f o rf m ci si n t r o d u c e d t o d e v e l o p d i s t r i b u t e d s i n g l e - l i n et o o ia r r a n g e m e n ta p p l i c a t i o no ff m c t h em s ta r r a n g e m e n ta r i t h m e t i c i s i m p r o v e d a n d t h es c h e m e o f b u i l d i n gc l i e n t , s e r v e r , c sm o d e 】j se s t a b l i s h e d m o r e o v e r , as i n g l e - l i n et o o l a r r a n g e m e n ta p p l i c a t i o no ff m cb a s e do ne o m p o n e n tm o d e li s d e v e l o p e d f i n a l i y , an e wm e t h o df o ra s s e s s i n go - om o d e li s s t u d i e d t h em e t h o do f a s s e s s i n go om o d e l i n gc o m p l e x i t yo f v m o e i se x p l o r e d k e y w o r d s ：v i r t u a l m a n u f a c t u r i n g m u l t i - t a s ks i m u l a t i o n v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g o p e r a t i o ne n v i r o n m e n t d i s t r i b u t e d m a n u f a c t u r i n go b j e c t - o r i e n t e dm o d e le v a l u a t i o n 华中科技大学博士学位论文 第一章绪论 继制造业及学术界提出的并行工程、精益生产、企业重组、智能制造、敏捷 制造等新的概念和方法之后。制造学术界又提出了虚拟制造等先进制造理念。虚 拟制造被认为是未来制造战略而得到日本、美国等国家和地区的关注，并就虚拟 制造的理论和实施方法开展了不同途径的研究和探索。 本章第一节概述了课题的来源。第二节研究了制造业面临的机遇与挑战。第 三节综述了虚拟制造的研究现状。第四节说明了全文研究的基本问题与主要工作。 最后图示了本文的总体结构。 1 1 课题的来源 本学位论文得到了国家自然科学基金项目“面向i m s 的人工现实感设计与制 造技术研究”( 5 9 4 0 5 0 1 7 ) 、国家教委博士点基金项目“基于i n s 的智能协作与环 境”和国家自然科学基金重大项目( 5 9 9 9 0 4 7 0 ) 的资助。同时也得到了教育部智 能制造技术重点实验室的支持。 1 2 课题的提出 二十一世纪的制造业充满了无限的发展生机与活力。这不仅是因为世界各国 政府开始重视先进制造技术的研究，而且也是因为极富生命力的信息业给古老制 造业带来的众多机遇。 可以说，二十世纪的制造业给人类社会带来了一场生产革命。主要表现为： 机械自动化代替了人的体力劳动；以计算机为制造辅助工具的信息处理自动 化正部分代替人的脑力劳动。这两次自动化的大发展为企业在市场经济的环境中 赢得新产品开发的时间、质量、成本的竞争能力方面作出了巨大贡献。 在取得这些辉煌成就的同时，制造业也开始注意到这样一些现象：大量制 造品被废弃，制造资源日趋枯竭，全球生态环境日益恶化；商品生产特征呈现 个性化、全球化、快速化、宜人化；计算机辅助制造技术正进入集成制造技术 研究的高级发展阶段；信息技术突飞猛进，制造工程人员在制造需求的实现技 术上往往举足无措。 华中科技大学博士学位论文 由此，引发出“如何发展可持续性制造业? ”、“如何紧跟信息技术发展二十 一世纪的卷q 造业? ”等值得制造业思考的问题。诚然，结合信息技术，制造业在 发展计算机辅助制造技术方面已经取得了众多令人瞩目的成就，但是就当前的计 算机辅助制造技术研究现状与信息技术发展现状来看，二十一世纪的制造业仍将 面临着如下众多的挑战与机遇： 1 ) 制造应用的自动化开发应用信息业的众多技术，制造业已经历了分门别 类的制造应用软件开发实践。每一次实践，制造工程丌发人员都必须经历 制造专业化的界面管理、文件管理等环节的艰难而又重复的开发过程。正 当制造业在计算机辅助研究道路上艰难跋涉的同时，软件自动化技术正r 趋成熟。在这种环境下，制造业已不再满足于简单、作坊式的制造应用生 产模式，而是希望发展一种计算机辅助制造应用自动化生产工具。其概念 示意如图1 1 所示。此处的制造应用是指计算机辅助制造应用2 2 ”。即为 了辅助制造某环节的工作，应用某信息技术而丌发的一种软件。如为了辅 助制造车间库存管理，应用数据库技术丌发的设备数据库应用程序。以下 同。 图1 1 制造应用的自动化生产需求 2 ) 制造应用的集成一体化开发制造企业各部门在成功地应用独立开发的 计算机辅助应用工具“孤岛”的同时，也注意到这些工具彼此之间信息难 以顺利地上传、下达等问题。这主要是由于开发各“孤岛”时使用了不一 致的工具所造成的。在信息技术日新月异发展的趋势下，制造业迫切地需 华中科技大学博士学位论文 要一种面向制造专业的集成一体化开发平台。在该平台下丌发的制造应 用，能够不加修改地互相集成。其概念示意如图1 2 所示。 爵盈 。 华中科技大学博士学位论文 4 ) 高级制造仿真 基于统计方法学的制 造系统仿真工具能够有效地辅助制造 工程人员进行系统性能分析、优化设计 等工作。基于帧播放的动画仿真工具能 够辅助制造工程人员进行系统逻辑行 为分析等工作。但是，随着虚拟现实技 术的崛起，制造业开始追求能更真实仿 真制造系统的工具。这不仅表现在更逼 真的制造系统静态仿真，而且也要求更 接近现实的制造系统行为仿真。因此， 如何充分应用信息技术中的高级图形 技术、虚拟机等技术开发制造系统高级 仿真工具正成为制造业面临的新挑战。 加 雕、蛮体化仿真 0 帧动商 加t 行为功厕仿真 其概念示意如图1 4 所示。圈1 4 高级制造仿真应用需求 5 ) 制造专业化操作环境紧跟信息技术步伐发展先进制造技术已成为制造 业快速发展的共识。尽管制造专业人员在应用信息技术方面付出了巨大的 努力，但是面对如此迅速发展的信息技术，他们在制造需求与实现技术之 f i i 】往往感到迷茫。他们迫切地希望有一种能将制造问题描述成可信息处理 的专业化操作环境。因此，建立符合制造专业使用习惯的信息处理平台将 成为制造业面临的又一新挑战。其概念示意如图1 5 所示。 快速发展的信息技术 图1 5 制造应用开发的操作环境需求 虚拟制造正是在二十世纪末关于“发展可持续性制造业”问题的大思考与信 息技术蓬勃发展的背景下提出的。 4 华中科技大学博士学位论文 1 3 虚拟制造的研究与发展现状 虚拟制造( v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ) 的思想最初是由日本的岩阳一明 ( k a z u a k i1 w a t a ) 博士与木村文彦( f u m i h i k ok i m u r a ) 博士两人提出的”“。 早在1 9 9 3 年初，日本大阪大学的岩羽及其领导的研究小组应用面向对象程序 设计方法与计算机三维图形技术开发了名为v i r t u a l w o r k s 的软件工具。该工具的 主要特征包括：用类描述制造资源。工厂设备和材料在系统中均被定义为具有 数据成员和操作成员的类。用三维模型描述制造系统的几何特征。用事件消 息机制进行对象之间的通信。应用该工具在计算机环境下可创建数字化工厂。经 过v i r t u a l w o r k s 系统开发的实践，岩田提出了由七功能模块组成的虚拟制造系统 建模仿真体系结构，如图1 6 所示。七功能模块包括虚拟设备建模、基本服务定 义、虚拟车间建模、调度建模、产品建模、虚拟车间仿真与仿真界面等。 圈1 6 岩田型虚拟制造系统的建模仿真结构 随后，从1 9 9 3 年到1 9 9 8 年，他们先后在国内外发表了多篇有关虚拟制造系 统方面的研究论文“”“”“”“”“”。其中难能可贵的是，岩田提出了虚拟现实型仿真 的思想。其内容可总结为：如果将现实制造系统看成出真实物理系统( r e a l p h y s i c ss y s t e m ) 和真实信息系统( r e a li n f o r m a t i o ns y s t e m ) 组成，那么虚拟 制造系统则可看成由虚拟物理系统( v i r t u a lp h y s i c ss y s t e m ) 和虚拟信息系统 ( v i r t u a li n f o r m a t i o ns y s t e m ) 组成。虚拟物理系统与真实物理系统具有几何 结构与逻辑功能上的相似性，虚拟信息系统与真实信息系统在信息量上具有等价 性。可以看出，这种仿真观点强调更真实地表现制造系统几何特征与行为特征。 继虚拟现实型仿真思想提出之后，在1 9 9 7 年岩田博士进一步研究指出：虚拟 制造系统是种支持全部制造活动的计算机辅助软件，能在制造工程人员与信息 技术之间起到沟通作用。他还描述了这种全方位的辅助功能主要体现的四个方面； 华中科技大学博士学位论文 辅助企业经营与生产管理；辅助产品生命周期内的丌发；辅助车间设计； 辅助产品加工。如图1 7 所示。 企业商业卜产管理模块产品，l i 命用朋摸块 功能蚺掏分析要求式样分析 计划流程功能i 殳计 伯息流程概念设计 制造讨划详细设训 日程安摊可稚q 造r 分析 瓷源调度成术评价 环境性评价 布局设计加i ：检验 通信网设计制造【艺选择 作业研究n c 编程 维修计划蜻挖 物流计划挖制方案决策 运动检验异常处理 故障诊断 虚拟设备模块过程模块 图1 7 虚拟制造概念图 与v i r t u a l w o r k s 目标类似的系统还有美国d e n e br o b o t i c s 公司丌发的物 流生产离散事件仿真器“q u e s t ”( o u e u e i n ge v e n ts i m u l a t i o nt 0 0 1 ) 1 9 9 7 o ”。 该系统在需求分析中认为：在客户化生产的市场环境下，基于传统静态统计分析 与经验方法已不能很好地实现优化制造的目的，而应采用先进的三维图形技术实 现加工设备配置的计算机化以及物流设备与制造者静态与动态行为的计算机化。 在q u e s t 仿真环境下能辅助制造工程人员评价车间布局方案、计算制造时间和成 本，并提出设备计划与调度的全面解决方案。 可以看出，v i r t u a l w o r k s 与q u e s t 二者都是借助计算机图形技术和面向对象 技术实现的新型制造仿真。一方面，面向对象技术简化了复杂的制造系统建模， 另一方面，图形技术使传统仿真具有可视性。二者究其实质与仿真并没有十分明 显的区别。在此，我将上述虚拟制造称之为仿真型虚拟制造。 与仿真型虚拟制造类似的系统还有基于面向对象技术的新型柔性制造系统仿 真器( f 懈s i m ) 脚1 和c i 粥并行智能实时动画仿真系统。 其中f m s s i m 是由香港城市大学制造工程系和南京理工大学制造工程系合作 研究开发的。该种仿真器采用b o r l a n dc + + 和p r o l o g 编程，图形建模基于面向对 象技术。仿真器具有的功能包括仿真器系统管理、集成交互式建模环境、策略选 择、计划输入、仿真运行、统计和智能评价等。 6 华中科技大学博士学位论文 c i m s 并行智能实时动画仿真系统则是由浙江大学计算机系在s u n 工作站的 s u n v i e w 平台上开发的。该系统的特点是考虑了现实物理模型操作的并行性与自 主体基于知识的智能性。该系统实现关键在于：应用p e t r i 网作为物理模型并 行实时任务的规划器。应用u n i x 操作系统多任务程序设计技术，完成一条典型 生产线上加工任务的实时并行仿真。 东京大学的木村文彦( f u m i h i k o k i m u r a ) 及其领导的研究小组经过十多 年的努力，在分别完成了包括零件公差 分析、形体特征与几何推理、装配分析、 动力学与机构联接约束、切削加工过程 等方面的建模研究工作后，逐渐认识到 建立一种能将各独立模型纳入其中的框 架的重要性。在分析制造业面临的柔性、 以人与环境为中心等新约束后，木村指 出：只要能对制造相关问题建立计算机 模型，就能在模型世界里模拟真实制造 活动，以做到制造问题的事前发现与改 正。他把这种新方法称之为虚拟制造 ”“”，并描绘了在框架的支持下集成、 重组模块快速开发制造应用的虚拟制造 思想。如图1 8 所示。该结构从下到上 日标系统层 臣困巨臣困 虚拟制造模型层 巨困匣 _ _ _ _ _ _ _ f 1 _ _ _ _ _ - 1 _ 1 _ _ _ _ _ _ _ _ l _ _ _ _ _ _ _ _ 一1 _ l 一! 兰竺 i 图1 8 木村型虚拟制造系统的层次结构 分为模型构造层、虚拟制造模型层、目标系统层等三个层次。结构中的底层模型 支持上层模型的语义解释。目标系统层则为计算机辅助制造工具，诸如c a d 、c a m 、 c i m 等。 基于该层次结构，木村等人设计了一个由标准件组成的c d 播放器机构实例。 该实例首先根据输入输出运动关系描述，定义c d 播放器机构特征。然后查询框架 里的零件库，选择、定位组成机构的相关标准件。对于非标准件的要求，则需要 专门设计。在这个举例中，木村等人应用了诸如公差分析、动力学、装配分析、 形体创成的几何推理等功能模型。最后他还特别地指出：只要在层次结构中添加、 完善众多模型，就能实现通用型虚拟制造环境。 从木村博士的研究可以看出，木村型虚拟制造的立脚点是基于功能模块集成 与重组开发制造应用系统的思想。虽然木村仍然强调图形仿真的重要性，但只是 将图形仿真作为虚拟制造环境下的一项重要功能。在此，我将木村型虚拟制造称 一尹萝蒂雪争霍 一 一一 华中科技大学博士学位论丈 之为集成重组型虚拟制造。 与集成重组型虚拟制造研究目标类似的还有r 本广岛电气工学院的t a m o t s u k a m i g a k 等人研制的柔性制造系统面向对象可视化建模与仿真系统v m s s ”。 t a m o t s u 等人认为：传统的f m s 建模仿真方法编程工作量大、灵活性差。究其原 因是由于仿真软件各功能模块之间耦合度太大。 t a m o t s u 在设计v m s s 时将柔性制造系统仿真活动与创作影视剧相类比。认为 s s 由三大模块( “作家”、“导演”、“剧院”) 和一个数据库( “剧本”) 组成。v m s s 执行分为三个阶段的工作。柔性制造系统问题建模( “剧作家”编写“剧本”) ； 柔性制造系统仿真；独立模块扩展。v m s s 系统结构如图1 9 所示。 阶段# l 建模阶段# 2 仿真阶段柏等家仿真 图i 9w s s 系统结构 可以看出。与木村型虚拟制造略有区别的是，t a m o t s u 特别强调他称之为“剧 作家”、“导演”、“剧院”模块的重组与插拔使用性，并注意到w i n d o w s 窗口型用 户界面在描述制造问题中所起的重要作用。 v m s s 的“剧本”编写思想与韩国汉城国立大学的k 1 l e e 在1 9 9 7 年提出的 观点有点相似。即虚拟制造系统应是一种能集中描述物理制造系统的物理语义、 逻辑语义和行为的计算机模型。 在欧美，虚拟制造最早于1 9 9 4 年1 0 月在俄亥俄州出国家安全工业协会组织 召开的虚拟制造技术专题讨论会上提出的“。并由l a w r e n c ea s s o c i a t e s 公司于 1 9 9 6 年9 月编辑出版了该会议讨论摘要。摘要中明确指出：成熟的虚拟制造系统 能支持概念设计分析、可制造性评价，能准确估算周期时间、生产费用、设备清 单等，虚拟制造在分布式制造上可能有重要的作用。同时，研究报告根据产品生 命周期的支持，将虚拟制造划分为以设计为中心、以生产为中心和以控制为中心 的虚拟制造三个阶段。以设计为中心的虚拟制造为设计人员提供设计产品、评价 产品成本与可制造性的计算机环境。以生产为中心的虚拟制造则提供包括刨成工 艺计划、生产计划、规划资源需求在内的生产管理环境。该环境能帮助生产管理 华申科技大学博士学位论又 ! ! ! ! 苎i ! ! ! ! 竺! ! ! 竺! ! ! 竺! ! ! ! ! 黑! ! ! 兰! ! ! 竺! ! 人员获得更准确的生产费用和资源调配信息，从而优化制造环境的配簧和生产的 供给计划。以控制为中心的虚拟制造提供仿真实际生产过程的环境。该环境帮助 工程人员在综合考虑车间相关控制行为的基础上评估新的或改进的产品设计方 案，从而获得优化制造过程、提高制造系统性能的信息。 佛罗里达大学g l o r i aj w i e n s 等人认为虚拟制造是在计算机上执行与实际一 样的制造过程，其中虚拟模型是在实际制造之前用于对产品的功能及可制造性的 潜在问题进行预测。 美国空军w r i g h t 实验室认为虚拟制造是仿真、建模与分析技术及工具的综合 应用，以增强各层制造设计和生产决策与控制。 可见，他们一方面继承了岩f ：e l 的虚拟现实型仿真的初衷，同时也注意到虚拟 制造具有制造应用的集成、分布合作支持等特点。 此外，还有一些与虚拟现实型仿真相关的报道】f 2 3 0 l 【2 3 ”。诸如波音飞机公司 7 7 7 飞机的无纸设计工程、产品的外形设计、产品的布局设计、产品的运动和动 力学仿真、热加工工艺模拟、加工过程仿真、产品装配仿真、虚拟样机与产品工 作性能评测、产品的广告与漫游、企业生产过程仿真与优化等。有人认为这些应 用研究是在原有的c a d c a m 及图象处理技术基础上进行的，都强调应用的图形 可视化仿真。这些仿真研究工作希望能逐步达到虚拟现实的水平。所谓虚拟现实 又称之为虚拟现实环境，是指由计算机产生的一个实时三维空间【2 。1 1 2 2 1 1 2 3 i ( 2 4 i ( 2 5 i 。 用户在其中可以“自由地”运动，随意观察周围的景物，并可通过一些特殊的设 备与虚拟物体进行交互操作。在此环境中，用户看到的是全彩色主体景象，听到 的是虚拟环境中的音响，手和脚可以感受到虚拟环境所反馈给他( 她) 的作用力， 由此使用户产生一种身临其境的感觉。交互性( i m e r a c t i o n ) 、沉浸性( i m m e r s i o n ) 、 和想象力( i m a g i n a t i o n ) 成为虚拟现实系统在人机接口上的三大特征。可见，虚 拟现实可作为高级制造仿真的一种增强手段。 另外，还有广些与集成重组型虚拟制造相关的研究【3 0 l 【3 2 1 | 3 3 1 | 弘1 1 3 5 1 1 2 2 8 1 【2 2 9 l 。诸 如虚拟研究开发中心、虚拟企业、虚拟全球制造( v g m ) 等。所谓虚拟研究开发 中心是将异地的、各具优势的研究开发力量，通过网络和视像系统联系起来，进 行异地开发和网上讨论。所谓虚拟企业则是为了快速响应某一市场需求，通过信 息高速公路将不同企业临时组成一个所谓动态联盟的经济实体。可见，虚拟研究 中心与虚拟企业更强调借助网络技术组织、共享异地资源。 尽管虚拟制造由提出到现在已有六、七年时间，但其实质究竟是什么，尚没 有一个公认的说法。针对这一现状，本文将探讨虚拟制造的本质内涵，提出虚拟 制造操作环境的思想。 9 华中科技大学博士学位论文 1 4 研究的若干问题与主要工作 1 4 1 研究的若干问题 1 ) 虚拟制造操作环境的概念、特征与体系结构。 2 ) 物流及加工多任务仿真体系、控制策略及相关算法。物流及加工过程三维 动画建模与仿真方法。 3 ) 面向制造领域的数据库系统与数据库优化建模，数据库的安全管理。 4 ) 虚拟制造操作环境下的分布式应用建模方法。 5 ) 虚拟制造操作环境模型复杂度评价方法。 1 4 2 主要工作 1 ) 提出了基于虚拟分层思想的虚拟制造操作环境的概念和即插即用式的框 架体系结构。 2 ) 以f m c 物流及加工过程仿真为对象，研究了支持f m c 的虚拟制造操作 环境多任务仿真应用开发的层次结构，用o p e n g l 开发了f m c 三维加工 过程动画仿真模块，建立了基于事件的两维f m c 物流及加工过程多任务 仿真体系、控制策略及相关算法，相应地，r 发了两维f m c 多任务仿真系 统。 3 ) 以f m c 为对象，研究了支持f m c 的虚拟制造操作环境数据库应用开发 的层次结构。设计了支持f m c 数据库应用开发的优化关系数据库模型和 制造资源数据库的数据安全方案，建立了f m c 数据安全交换协议和数据 库安全模型。开发了f m c 辅助生产管理系统，实现了f m c 生产的高效、 安全管理。 4 ) 针对制造应用开发中的异构集成与代码重用等问题，提出了支持f m c 的 虚拟制造操作环境分布式应用开发的层次结构，特别针对f m c 分布式布 局问题，改进了最大生成树布局算法，创建了基于组件模型的布局应用开 发策略，相应地开发了f m c 分布式单行机床布局系统。 5 ) 研究了面向对象模型复杂度量化评价指标，设计并评价了f m c 虚拟制造 操作环境模型。 1 0 华中科技大学博士学位论文 1 5 本文的总体框架 第三章 虚搬秘造操作环境 多任务仿真应用开发研究 多任务仿真应用开发层次结构 多任务仿真蔗模特点 多任务面向对蕈p e t r i 同建模理论 多任务面向对象p e t r i 同模型 多任务仿真宴赡技术与控制策略 n 多任务仿真应用开发 第一章 绪论 课题的提“i 虚拟制嫱综述 若干幕丰问题 t 妻i ：忭 第二二章 虚拟制造操作环境理论 基础与体系结构 概念 特，雠，体系结构 相关概念研究方法关挺技术 f i i c 虚拟制造操作环境运行原理 第四章 康拟制造操忭环境 数据库应用开发研究 数据库应用开发层次结构 f 氍数据库建模 瑚c 数据库优化设计 f i i c 数据安奈方寰 f i c 数据蜜哞：交互协议 眦数据库应用开发 第六章 虚拟制造操怍环境 模型复杂度l 平价 面向对象模弛评价方法 f - i c 虚拟制造操作环境摸型设计 f m 虐拟制造操作环境模型评价 l第七章 l全文总结 l 主要结论 l 发展方向 虚拟翻造操作环境 分布式应用开发研究 分布式应用开发层次结构 分布式组件对象标准参考模型 三类分布式应用封l 件 单行机床布局算法模型 f 氍分粕式布局斑用开发 华中科技大学博士学位论文 第二章虚拟制造操作环境基础理论与体系结构 在虚拟制造提出前后，信息基础设施中已有多种与虚拟相关的技术。如操作 系统虚拟机、j a v a 虚拟机、虚拟环境等。操作系统虚拟机是为用户配置的、扩充 了裸机功能的、易于人机交互的操作界面”。j a v a 虚拟机是与互连网浏览器捆绑 在一起，能下载到客户机上的j a v a 程序解释运行器，由此实现j a v a 程序在异构 平台上运行o ”。可见，这两种虚拟在本质上是一致的，只是j a v a 虚拟机将桌面环 境扩充到网络环境。再如虚拟环境将单纯的人机操作界面扩展为应用开发界面， 由此辅助开发人员将网络上的硬、软件资源自由地组织在单桌面上运行，实现计 算机工作能力平衡、大项目分布式并行化和程序开发的快捷化等。以上虚拟技术 的成就都给正确理解虚拟制造技术提供了借鉴之处。 总结二十一世纪制造业面临的挑战与虚拟制造的研究现状，本章第一节探讨 了关于虚拟制造的认识。第二节提出了虚拟制造操作环境的概念，研究了其特征 与体系结构。第三节解释了虚拟制造操作环境的相关概念。第四节讨论了虚拟制 造操作环境的若干研究方法。第五节讨论了虚拟制造操作环境的若干实施关键技 术。第六节阐明了支持f m c 的虚拟制造操作环境运行原理。最后对全章主要工 作进行了简单说明。 2 1 虚拟制造的认识 1 ) 虚拟制造中蕴涵的虚拟分层思想。虚拟分层是系统方法学中的重要思想。 虚拟分层是指系统功能可抽象为相互独立的几个层次，每个层次都将成为 个虚拟机。虚拟机定义的数据结构和运算构成一个基本机器服务于它的 上一系统层，它自己又以它的下一系统层作为基本机器。如图2 i 所示。 拉供给i ：= 二层的虚拟机 赛 ，三生_ 上 龟二符l t 实现在下一层虚拟机i ： 寰 图2 1 虚拟机的分层思想 2 ) 虚拟制造是制造应用丌发的支撑平台。深入分析岩田9 7 年描述的虚拟制 造概念图、木村提出的虚拟制造系统分层结构以及美国马里兰大学的三阶 段虚拟制造思想后，作者认为他们三者关于虚拟制造的理解本质上是一致 的，即虚拟制造是支撑各类制造应用快速丌i 发的软件平台。 3 ) 虚拟制造是支持制造对象几何特征与行为特征建模的高级仿真工具。 4 ) 虚拟制造是面向制造领域的人机界面或操作环境。这种操作环境是在通用 型操作系统的基础上，比如视窗系统w i n d o w s ，扩充了符合制造专业各层 次人员使用习惯的人机界面和a p i ( 应用编程接口) 模块。 5 ) 虚拟制造支持即插即用式的或社会化的制造应用开发。 6 ) 虚拟制造符合制造应用开发的发展规律，如图2 2 所示。紧跟信息技术的 囤匿圉圈圈 虚拟制造心u ( 系统) 层 图2 2 制造应用开发的发展趋势 1 3 华中科技大学博士学位论文 脚步，制造应用正走着从作坊式、半专业化到专业化、半自动化、集成化、 自动化、社会化的开发道路。可以说，这条道路不仅是制造业必走的道路， 也是各非计算机工程专业必走或正在走的道路。图中“专用工具”是指专 用于某类应用开发的工具，如w i t n e s s 、s i m a n 专用于仿真类应用等。 “专业工具”是指专用于某类制造专业应用开发的工具，如a u t o c a d 专用于设计类应用等。“集成化专业工具”是指支持制造专业领域各类应 用的工具集。 2 2 虚拟制造操作环境的概念、特征及其体系结构 2 2 1 虚拟制造操作环境的概念与特征 虚拟制造操作环境( v i r t u a lm a n u f a c t u r i n go p e r a t i o ne n v i r o n m e n t ) 是一 种面向制造专业领域的、全面支持制造应用开发的软件平台。制造应用包括生产 管理系统中的产品设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验等各个环节。 制造专业人员借助制造应用的产品功能、性能、可加工性等的模拟、预测功能， 快速学习、决策和控制物理制造系统。平台具有专业性、易操作性、开放性、制 造行为仿真的真实性等特点。“软件平台”是指支撑制造应用开发所需的各种工具 集合，包括制造活动建模与仿真工具、数据库管理工具、协调通信工具、物理设 备连接工具以及各类a p i 模块等。“专业性”是指虚拟制造操作环境具有适合各层 次制造工程人员的人机界面和a p i 模块。“易操作性”是指虚拟制造操作环境的人 机界面和a p i 模块符合制造专业人员的使用习惯。“开放性”是指虚拟制造操作环 境具有集成标准组件进行制造应用社会化开发的特征。“制造行为仿真的真实性” 是指虚拟制造操作环境支持制造对象的静态几何特征、动态行为特征的建模与仿 真。虚拟制造操作环境的上述特点可总结为如下三大特征： 1 ) 支持制造系统多任务仿真特征。带0 造系统多任务仿真包含制造对象的静态几 何特征与动态行为特征的建模与仿真。多任务仿真不同于基于统计的系统模 拟仿真，它支持系统动态的可视性。多任务仿真的可视性也不同于基于帧播 放的动画仿真，它强调对象的自主行为、同步行为仿真的真实性。 2 ) 虚拟机特征。包含操作层和开发层虚拟机特征。操作层面向制造辅助软件操 。作人员。开发层面向制造辅助软件开发人员。 3 ) 开放性特征。包含d e s k t o p 型和网络型。d e s k t o p 型是指集成本地标准组件 开发制造应用的特征。网络型是指集成远程标准组件开发制造应用的特征。 支持产品创新设计的理想虚拟制造操作环境的三视图如图2 3 所示。 4 图2 3 虚拟制造操作环境的三视图 其中，结构视图描述了虚拟制造操作环境的组成。虚拟制造操作环境由设备驱 动、网络支持、标准支持、仿真支持、数据库支持等五大管理模块和c a d 、c a p p 等多种应用编程接口( a p i ) 组成。设备驱动模块通过物理设备通信接口负责将 在计算机上事先仿真过的优化制造信息传输给物理制造设备。网络支持模块通过 远程通信接口负责接入、接出开发制造应用所需的网络资源。标准支持模块借助 分布式对象标准，支持制造应用的分布式开发。仿真支持模块支持制造对象的几 何特征和行为特征的建模与仿真。数据库支持模块支持各类制造应用的数据管理。 a p i 建立在现有的、各孤立的计算机辅助制造工具的基础上，是经过收集、整理、 精炼、统一建模而成的制造应用编程接口。a p i 构成虚拟制造操作环境的开发内 核。 功能视图是面向虚拟制造操作环境的使用人员。根据用户需求，使用人员应 用虚拟制造操作环境的友好人机界面和编程接口，自动化、一体化、集成化、社 会化地开发支持产品创新设计的制造应用。 用户视图面向产品用户，将制造应用实现的产品生产过程可视化、数字化地 呈现在用户面前。理想的虚拟制造操作环境的工作流程如图2 0 标明的顺序。在 虚拟制造操作环境下，制造辅助软件开发人员根据用户需求，调用固化在环境中 的应用编程接口或通过网络通信接口集成外部标准组件，开发对应实际生产阶段 华中科技大学博士学位论叉 的制造应用，在制造应用中仿真优化设计结果，并将结果可视化、数字化地呈现 给用户。经用户确认后，通过物理设备通信接口，虚拟制造操作环境将仿真优化 ， 后的计划信息和技术信息输出给管理人员和物理设备，以指导产品的实际生产。 2 2 2 虚拟制造操作环境的体系结构 虚拟制造操作环境的五大模块和各类a p i 模板提供了支持制造应用丌发的基 本功能。为了建立虚拟制造操作环境的结构，考虑某特定制造应用的组成，将发 现其本质通常包含三类成分：( 1 ) 通用基本组件。是特定于信息技术的组成部分， 如基本的数据结构、实现的程序语言等。( 2 ) 制造领域共性组件。是制造领域所 属的共性成分，存在于制造领域的各个特定应用系统中。如生产管理模块、加工 过程模块等。( 3 ) 制造应用专用组件。是每个制造应用系统特有的组成部分，如 布局算法模块特定于车间配簧应用。虚拟制造操作环境的虚拟机特征要求将制造 领域共性组件作为制造领域的基本服务，将特定制造应用功能设计为符合某种标 准的专用组件，虚拟制造操作环境的开放性特征要求即插即用式地创建制造应用。 虚拟制造操作环境的体系结构可描述如图2 4 所示。 图2 4 虚拟制造操作环境的体系结构 图中制造信息基础是现阶段的计算机辅助制造工具的归纳与精简，作为共 性成分向制造应用开发提供基本服务。制造领域的基本服务描述为物流管理、信 息流管理、网络协调管理和分却应用管理等四个模块，构成制造系统虚拟机。虚 拟机应用分布式组件对象标准( 软总线) ，访问本地或网络环境下的即插即用专用 组件( 分布式组件对象) ，进一步将桌面虚拟机扩展到网络层。在组件协助下，创 6 华中科技大学博士学位论文 建工程人员解决问题所需的制造应用。本文的第三、四、五章将分别研究物流管 理、信息流管理和分布应用管理等模块，以支持制造系统物流多任务仿真应用开 发、数据库应用开发和分布式应用开发等。 2 3 虚拟制造操作环境研究的若干方法与技术 2 3 1 虚拟制造操作环境的相关概念 现实制造 现实制造是利用现实制造资源完成产品从设计、工艺计划、加工装配、测量 等制造任务的制造行为。现实制造由两大活动部分组成：现实物流活动和现实信 息活动。现实物流活动的主体由存在于现实制造中的物质实体组成。这些物质实 体可以是材料、零部件、产品、加工中心、机器人、传感器、货架、运输小车、 夹具、控制器等。现实信息活动由各层管理和决策活动组成，如零件设计、工艺 规划、生产调度、过程控制、质量评估等涉及智能行为在内的活动。 仿真制造 仿真制造是计算机模拟现实制造的映射活动。映射活动分为现实制造物流的 映射与现实制造信息流的映射。现实制造物流的映射活动称之为物流仿真。物流 仿真要求计算机模拟的物流实体能接受现实信息流的信息、命令，并执行命令与 返回执行状态到现实制造活动。现实制造信息流的映射活动也称为信息管理或数 据库应用。信息管理负责记录、存储、处理和传输包括客户信息在内的现实制造 环境中的信息。与现实制造行为不同，仿真制造不消耗现实资源和能量，仿真制 造输出具有真实产品全部特征的数字产品和可指导现实制造活动的决策信息等。 制造信息基础结构 信息基础结构是