（机械电子工程专业论文）面向多agent虚拟车间的三维环境的构建技术.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 ( 作为现代王犍黪基疆，制遣技术在鼹民经济帮国醛中占鸯菲鬻重要的选位。随着诗 算机狡术和网络技术的快速发矮，以异地生产和协同调度等为代表的一系列先进生产技 术的不断涌现，馒制造业规模及生产方式发生了筵大的变化，制造系统的娌模越来越大， 控截系绞篷越来越复杂。摇簿解决作为生产裁造系统的蓥石一车间一的敏捷调魔问题， 从而能够快速、低耗、离质、离效地生产出社会所需要的各种产品，是目前制造业研究 一个热点帮黎点。 基于m u l t i a g e n t 的虚拟车间正是成拟现实技术和毙避制避技术结合的产物，即实 骣车阕生产系统在寝揪瑗实环凌下翡一糖获射，它秀车阕生产系统静敏捷调度积预嵇稳 供了一种解决方法方7 本文以基于m u l t i a g e n t 的虚拟车间为研究对象，对虚拟三维环境 下数控碱廉酶嬲工贫真秘羹予m u l t i a g e n t 懿袁羧车窝约建、重缀及遥现等关键按术邈 行了深入研究。 奉文在系统奔绣鞍努褥基予m u l t i * a g e n t 笺嶷耘车溺靛模型、结梅，及箕管疆方法 * _ _ 。 一 的基础上，设计了基于m u l t i a g e n t 的虚拟车间的体系结构。根据其功能特点和体系结 拯，提出了基予v r m l 技零窝j 熙狻技术辐结会的方法来褥建蒸予m u l t i - a g e n t 黪庭援 车间的兰维环境。该方法用v r m l 来构建三维场景，用j a v a 来实现对场景内虚拟模 型蛉控裁窝数撼管理，司较好遗解决车阕生产傍真。 ， f 虚拟车间的三维仿舆环境有三个基本要求：车间资源的仿真、重组劝能和遥现。对 率阉资源楚几何模型仿襄积趣工豹仿真是三缝嚣境翡一个基疆礤究蠹容，谤真的戆票能 够为生产设计人员提供可视化服务，从而使设计结果更加直观。熏组功能是三维虚拟车 阅的另个要求。动态夔鳃牲是感熬车闽的特点。虚拟攀润是瑟趣饪务瓣，每次任务 都需要缀成一个新的车瀚。为此必须使虚拟三维环境有煎组的功能。虚拟车间是舜地台 乍的，为此，仿粪环境还要满足熊够同时提供绘不同空蚓的生产参与者躲要求。这样才 能够甄整体土把握虚熬举淹蘸生产能力。 在系统实现方瑟，设计并实现了一个基于j a v a a p p l e t - - v r m l 毂艨型系绞，并贪 绥了其实现酶遗稔及实现过程中可能存程豹难点。 最爱，总结了本文的工作，并指出了进一步靛研究方离。士 美键镯：虚搂车闯；仿专成撤现实掏造语富；智能体v 羚迭协嗣生产 华中科技大学硕士学位论文 # = = = = = = _ ；= = _ = = = = = = ；= = = = = = = = = = a b s t r a c t a st h ei n f r a s t r u c t u r eo fm o d e mi n d u s t r y , m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yo c c u p i e sa ni m p o r t a n t s t a t u si nn a t i o n a le c o n o m ya n dn a t i o n a ld e f e n c ei n d u s t r y b u tw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f c o m p u t e rs c i e n c e sa n dn e t w o r kt e c h n i q u e s ，as e r i e so f a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gm o d e ，s u c h a sd i s t r i b u t ep r o d u c t i o no p e r a t i o n ，h a v eb e e nd e v e l o p e ds oa st ol e a dt og r e a tc h a n g e si nt h e m a n u f a c t u r i n gf i e l d b e c a u s et h es c a l eo fm a n u f a c t u r i n gi sl a r g e ra n di t sm a n a g e m e n ti s m o r ed i f f i c u l tt h a nt h e yw e r e ，h o wt or e a l i z et h ea g i l ew o r k s h o ps c h e d u l i n gs oa st op r o d u c e t h en e e d e dp r o d u c t sw i t hh i g he f f i c i e n c y , l o wc o s ta n dh i 馥q u a l i t yh a sb e c o m eo n eo ft h e f o c u sa n dd i f f i c u l t yi nm a n u f a c t u r i n gf i e l d am u l t i a g e n t - b a s e dv i r t u a lw o r k s h o pc a nb ed e v e l o p e dw i t ht h ec o m b i n a t i o no fv i r t u a l r e a l i t y ( v r ) a n da 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 i e su n d e rav re n v i r o n m e n t ，n a m e l ya m a p p i n g o far e a lw o r k s h o po rar e a lp r o d u c t i o ns y s t e mu n d e rt h ev re n v i r o n m e n tt oo f f e ra s o l u t i o nf o rt h ea g i l ew o r k s h o ps c h e d u l i n g a i m i n ga tt h ea g i l es c h e d u l i n ga n de s t i m a t i o no f w o r k s h o p ，t h e r e f o r e ，t h e t h e s i sh a ss t u d i e dt h e d e v e l o p m e n to f3 de n v i r o n m e n t f o ra m u l t i a g e n t - b a s e dv i r t u a lw o r k s h o p ，e s p e c i a l l yt h es i m u l a t i o no fm a c h i n i n gp r o c e s s e s ，t h e c o n f i g u r a t i o n ，t h er e c o n f i g u r a t i o n a n dt h e t e l e - p r e s e n c e o fa m u l t i a g e n t - b a s e d v i r t u a l w o r k s h o p b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h em o d e l i n g ，t h es t r u c t u r ea n dt h em a n a g e m e n tm e t h o do fa m u l t i a g e n t b a s e dv i r t u a lw o r k s h o p ，i t sf r a m e w o r kh a sb e e np r o p o s e di nt h i st h e s i s a l s o ，a n e wm e t h o di su s e dt oc o n f i g u r a t es u c hav i r t u a lw o r k s h o pw i t ht h ec o m b i n a t i o no fv r m l a n dj a v a t e c h n i q u e s t h a ti s v r m l i sad e v e l o p i n gt o o lo fv i r t u a le n v i r o n m e n tw h i l ej a v a i sac o n t r o lt 0 0 1 f o rt h e3 dv i r t u a le n v i r o n m e n t ，t h e r ea r et h r e er e q u e s t s ，n a m e l ys i m u l a t i o n ，r e g r o u pa n d t e l e - p r e s e n c eo fw o r k s h o pr e s o u r c e f i r s t l y , t h es i m u l a t i o no fw o r k s h o p r e s o u r c ei st h eb a s e o fa n a l y s i sa n de s t i m a t i o no np r o d u c t i o nd e s i g n s e c o n d l y , d y n a m i cr e g r o u pf u n c t i o ni s a n o t h e rr e q u e s to ft h ev i r t u a lw o r k s h o p ，f o rs u c haw o r k s h o pi st a s k o r i e n t e da n de v e r yt a s k f a c e do nd i f f e r e n tw o r k s h o p t h i r d l y , t h ev i r t u a lw o r k s h o ps h o u l dm e e td i f f e r e n tn e e d st o c o n t r o lt h ew h o l ep r o c e s sf o rd i f f e r e n tu s e r so v e rd i f f e r e n tp l a c e s ，b e c a u s es u c haw o r k s h o p i sd i s t r i b u t e dp r o d u c t i o no p e r a t i o n ， f i n a l l y , ap r o t o t y p e s y s t e m b a s e do i lj a v a a p p l e t - v r m l i s p r e s e n t e d a n dt h e i m p l e m e n t a t i o np r o c e s so f t h es y s t e m i sg i v e nt o o i 华中科技大学硕士学位论文 i ：_ 目# i 口t i _ _ l _ l = = e 2 i # ；= = 自l = = = # = # = = = ；= = = = = = = = 一 f u r t h e r m o r e ，a l lw o r k so f t h i st h e s i sa r es u m m a r i z e da n d t h ef u t u r er e s e a r c hi sp o i n t e do u t k e y w o r d s ：v i r t u a lw o r k s h o p ，s i m u l a i o n ，v r m l ，a g e n t ，d i s t r i b u t e d p r o d u c t i o no p e r a t i o n i i l 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题概述 1 1 1 课题来源 绪论 本学位论文的研究得到了以下科研项目的资助： 1 ) 中新联合研究计划项目：“基于网络的产品快速开发平蠢”； 2 ) 霞茨豫磺基金磺嚣：“纛羧裁造关键技术研究”( 颂疆批准号9 9 j 1 8 1 3 j w 0 5 2 6 ) 。 1 1 2 课题网的与意义 1 课题的提出 现代制造业将成为以数字化、网络化积智自化等信息技术为基础的集约化并行生产 的制造企业：企泣的萄标将从、注重数量和质量转向注鹫服务；对产品的疆求也将从大批 量、多品种转向个性化、短周期。这就要求现代制造系统必须适应这一革命性的变化， 能够快速、 暴巍、毒袋、高藏魂生产密李主会掰需要的各种产品。困j 毙，校据“蕊于网络 的产品快速开发平台”镣研究项目要求，本课题提出研究虚拟车间三维环境的构建技术， 为实褒车闼敏撬裁造溅务。 2 课题的背景 近二卡年来，世爨各量对现代剖逑系统瓣模式鼹牙了广泛瑟滚入蕊磅突，鬏攒 c i r p ( 围际生产工程学会) 的统计，提出的先进制造系统的模式多达3 4 种，如：c a d c a m 、 n c m ( 网络合作制造) 、g m ( 全球嚣4 造) 等罄。加入灯0 聪，我国也提出“靠造业信息化” 的实施褥标。虽然所提出的制造系统模式千差万别，但其研究哥的都是通过充分利用以 计算机信息技术为代表的高科技，建立弗实现基于网络化体系结构的生产和管理模式， 以提商翻造金鼗对市场鬻求交纯静浃遮桷应能力和适旋髓力，提高箭遮企业自身的柔 性、敏摅性以及可重组性，增强制造企业与外界的交互能力，促进和加强企业间的协调 与合俸。 异地生产和协同调度等先进制造投术的提出和发展，使得制造系统的规模越来越 大，控粼系统也越来越复杂。这樱应遮绘磅究帮开发老鬻寒系裂凌遂，懿系统投资较 大、开发周期较长，在熬个系统正式建立和运行之前，难以对这姥系统的效益和风险进 华中科技大学硕士学位论文 行确定而有效的评估；当进行新产品开发时，在投入大量人力和经费之前，无法正确预 测在产品设计、开发与制造的各个阶段的情况：不能对系统的运行状况及运行过程中可 能存在或产生的问题进行预测或监视；不能确实有效地协调设计与制造各阶段的关系， 以寻求整个产品的生命周期乃至企业整体全局的最优。伴随该先进制造模式的产生， 企业从制造、生产到管理都面临越来越多前所未有或前所难为而又必须解决和突破的问 题。如果按照传统的方法解决这些问题，必然要花费巨额资金，投入巨大的人力，消耗 过长的时间。虚拟现实技术的产生、发展及应用，为解决和处理这些问题提供了新方法 和新途径。 v r ( v i r t u a lr e a l i t y ) 是集先进的计算机技术、传感与测量技术、仿真技术于一体，利 用计算机生成一种虚拟环境( v i r t u a le n v i r o n m e n t ) ，通过视、听、触觉等作用，使用户产 生身临其境感觉的交互式仿真。进入2 0 世纪9 0 年代以来，随着复杂仿真应用需求的不 断提高和应用领域的不断扩展，计算机仿真技术已从纯数字仿真，实物在回路中的半实 物仿真，发展到人在回路中的虚拟环境仿真技术的新阶段。对真实系统的仿真，不再是 只采用某一种仿真技术，而是构造集纯数字仿真，实物在回路中的半实物仿真和人在回 路中的虚拟环境仿真技术为一体的综合仿真系统。这不仅是一种新颖的技术，更重要的 是一种高效的思维与研究方式，并适用于任何有大量数据存在的场合。 3 课题的目的与意义 生产车间是整个制造系统的“基石”，也是实施制造过程的主体。但是在生产车间 实施生产制造的过程中仅有5 的时间是用于加工生产，另外9 5 的时间在工件等待加 工和运输过程中被浪费掉，因此，如何实现敏捷制造是当前制造业研究的主要课题之一。 研究表明，采用个体的自律性与整体的自组织、自进化相结合的m u l t i - a g e n t 技术开发 开放式智能制造系统将成为新一代制造系统的基本组织形态。在这种m u l t i a g e n t 车间 2 j 环境下，使用m u l t i a g e n t 协作调度技术可以解决生产调度领域中的分布、动态和柔性 等技术难题并且适合用于突发事件的处理，从而实现生产物流的优化调度，减少生产辅 助时间，增加制造系统设备的重组性和利用率，对提高制造系统快速响应能力和应变能 力有着决定性的作用【3 j o 目前，虚拟制造卜6 】这一概念已经引起了全世界研究者的广泛 关注，虚拟制造技术已经成为研究和应用的热点，并且已经给制造业带来了革命性的影 响。鉴于此种情况，将虚拟制造概念引入车间级的研究与开发工作中无疑是十分必要的。 国内已经有学者对虚拟车间进行了研究p 。而本课题面向m u l t i a g e n t 虚拟车间的 三维环境是在虚拟现实技术与基于a g e n t 的车间制造技术相结合的基础上，使用 j a v a 和v r m l 为m u l t i a g e n t 车间提供一个虚拟的、可重组的、基于网络的三维支持环 境。 面向m u l t i a g e n t 虚拟车间的三维环境研究意义如下： 1 、为特定车间m u l t i a g e n t 车间实现敏捷调度提供了虚拟实验环境，从而 华中科技大学硕士学位论文 为实际生产调度提供参考。 2 、在此环境下，本地的产品开发者可以根据由该平台提供的相应的设备组成虚拟 车间【1 1 】，模拟车间的生产活动，设计车间的生产流程布局，达到合理利用生产资源， 并缩短产品开发周期，以尽可能快的速度占领市场。 3 、为分布在不同地区的制造团体提供分布式合作工程环境( d c e e ) ，来遥现 ( t e l e - p r e s e n c e 【) 制造能力评价。在该虚拟现实环境下，用户可以对车间布局实现远 程操作。用户可以将本站点的虚拟资源放置到虚拟车间中来实现车间资源配置，在此基 础上，根据自己的需要，并综合车间系统对制造单元所进行的制造能力评价的结果，对 制造单元进行调整。 由此可见，面向m u l t i a g e n t 虚拟车间的三维环境是车间虚拟制造系统的一项重要 内容。它是车间虚拟资源三维模型及制造信息的集成。它可以将地理位置上相互分离的 实际生产制造实体联系到同一环境下，并实现信息的交互，为异地生产计划提供参考试 验平台。 1 2 国内外相关技术的研究现状 1 2 1 虚拟现实技术的研究现状 目前国内外的科研单位、重点院校都投入到v r 技术的研究之中。 国外的虚拟现实领域的基础研究主要集中在硬件感知，用户界面，后台软件等几个 方面。由于长期的技术积累( 例如大规模v r 知识库的建立) 和优越的科研条件，在“需 求牵引”和“技术推动”下，它们多已集成了一些很有实用前景的应用系统，并向智能 虚拟世界，微观虚拟世界等方向不断的发展。 美国b o e i n g 公司设计的一架虚拟飞机，可用头盔显示器和数据手套进行观察与控 制，使飞机设计人员身临其境地观察飞机设计的结果，并对其外观、内部结构及使用性 能进行考察；日本m a t s u s h i t a 公司开发的虚拟厨房设备制造系统，允许消费者在购买商 品前，在虚拟的厨房环境中体验不同设备的功能，按自己的喜好评价、选择和重组这些 设备，他们的选择将被存储并通过网络送至生产部门进行生产；美国c o v e n t r ys c h o o lo f a r ta n dd e s i g n 开发的虚拟原型制作系统，设计者在设计的初始阶段能够在计算机中构 造虚拟原型并对此原型进行评价【1 4 】。 v r 技术是一项投资大，具有高难度的科技领域，和一些发达国家相比，我国在该 领域还存在有一定的差距，但已引起政府有关部门和相关科研单位的高度重视。根据我 国的国情，制定了开展v r 技术的研究和应用研究，例如：九五规划、国家自然科学基 华中科技大学硕士学位论文 金会、国家高技术研究发展计划等都把v r 技术列入了研究项目。北京航空航天大学着 重研究了虚拟环境中物体物理特性的表示和处理；浙江大学c a d & c g 国家重点实验室 开发出了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统。哈尔滨工业大学计算机系已经成功地 虚拟出了人的高级行为中特定人脸图像的合成，表情的合成和唇动的合成等技术问题。 清华大学计算机系及c a d 中心对虚拟现实和临场感的方面进行了研究。 另外，西安交通大学信息工程研究所，北方工业大学c a d 研究中心，西北工业大 学c a d c a m 研究中心，上海交通大学图像处理及模式识别研究所，长沙国防科技大 学计算机研究所，华东船舶工业学院计算机系，安徽大学电子工程与信息科学系等单位 也进行了一些研究工作和尝试。 1 2 2 虚拟车间的研究现状 目前，有关虚拟制造的研究工作主要在如下几个方面展开：虚拟制造系统总体框架； 虚拟设计；虚拟装配；虚拟数控；虚拟原型；以及各类支撑技术包括虚拟现实、数据库、 通信网络、多用户协作环境等。 作为c a d c a e c a m c a p p 和仿真技术的更高阶段，虚拟制造技术着重于生产过程的 规划、组织管理、资源调度、物流、信息流等的建模、仿真与优化。对虚拟企业的研究 在美国得到政府和企业界的极大关注，在该领域的研究异常活跃，成为敏捷制造技术的 主要支柱之一。1 9 9 5 年美国标准与技术研究所的报告“国家先进制造实验台的概念设 计计划”，强调分散的、多节点的分布式虚拟制造( d v m ) 的概念；美国国家研究委员会 的报告“制造中的信息技术”探讨了产品集成、过程设计、车间控制、虚拟工厂等的信 息技术问题。欧洲以大学为中心也纷纷开展了诸如虚拟车间、建模与仿真工程等虚拟制 造技术的研究。日本对虚拟制造技术的研究则秉承其重视应用的传统特点，主要进行虚 拟制造系统的建模和虚拟工厂构造环境的研究【l5 1 。总之，虚拟制造技术的广泛应用将 从根本上改变现行的制造模式，对相关行业将产生巨大影响。因此，对虚拟车间的三维 建模与仿真有着重大的意义。 经过二十几年的发展和研究，虚拟制造技术和加工智能化已被认为是实现t q c s 一 上市快( t i m e ) 、质量好( q u a l i t y ) 、成本低( c o s 0 和服务好( s e r v i c e ) - 最重要的手段之一， 它具有高智力、知识密集、更新速度快、综合性强、效益高、初始投入大等特点，是当 今国际上科技领域的前沿课题，也是世界各国竞相大量投资的高技术一计算机集成制造 系统的核心技术之。 4 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = 。= = = = = = = ；= = = = 一 1 2 3 虚拟机床的研究现状 虚拟机床( v i r t u a l m a c h i n et 0 0 1 ) 是随着虚拟制造技术的发展而提出的一个新的研究 领域，它的最终目标是为虚拟制造建立一个真实的加工环境，用于仿真和评估各加工过 程对产品质量的影响。在虚拟机床中，需要建立机床模型和加工过程模型。机床模型包 括机床的几何参数、运动关系、伺服系统、刚度和热影响等。加工过程模型包括切削力、 刀具的磨损、加工表面形状以及公差等。利用虚拟机床，用户输入n c 程序、工艺模型 和刀具模型，要求得到关于工件特性、刀具状况和加工效率等信息，用于虚拟制造中产 品的可制造性评价。 机床仿真要求对机床的运动学、力学、动力学和热力学等各方面行为进行综合建模 和仿真。在这个领域，美国西北大学等6 所大学建立了虚拟机床的体系结构并分别给出 了虚拟机床拓扑模型、加工过程模型和机床功能行为模型。通过建立虚拟机床模型进而 对机床设计起辅助作用，该项目试图建立机床动态补偿机制来达到更高的加工精度。但 该体系结构庞大，模型之间联系复杂，实现的难度很大。德国亚深工业大学机床与生产 工程实验室提出用于机床设计和计算的工程平台。该平台以c a d 模型为基础数据，利用 有限元分析模块和各种力学、热学及动力学等仿真计算模块加快机床设计和生产周期。 韩国p o h a n g 大学的“虚拟c n c ”计划专注切削过程仿真建模和机床部件建模，希望藉 此为设计人员提供一个良好的虚拟c n c 环境u 6 。 目前国内虚拟机床的研究还集中在运动学阶段，利用现有的三维造型软件可以对机 床进行几何造型和运动仿真。国外已经出现的很多大型c a d c a m c a e 软件系统，可 以实现零件加工过程的三维动态仿真，如p t c 公司的p r o e 、s d r c 的i d e a s 、u g s 的u g 等。数控加工方面具代表性的软件有p r o e 、u g 、c a t i a 等，它们可以生成n c 代码并可对其进行仿真检验。这些软件功能很强大，数控加工仿真只是其中的一个模块。 但这些软件都应用繁琐的布尔运算，并依赖昂贵c a d c a m 软件平台，软件价格昂贵， 对硬件要求较高。国内厂家使用这些软件的投入与效率比率不高，而且一般来说要进行 二次开发，难度大，同时受到开发软件平台开放性的限制，因此有必要寻找一种更好的 开发软件。 国内的虚拟机床软件起步较晚，同国外相比还有很大的差距。由于开发与应用部门 的脱节，以及软件开发政策上一些失误，国内还没有形成自己特色的工程化、商业化软 件系统。从三维图形设计到工程数据库，国内还没有一套能代替国外产品的软件。早期 有用c 、c + + 语或v b 开发的数控加工仿真系统，但多为二维图形显示，仿真效果比较 粗糙。也有一些开发人员使用o p e n g l 进行三维仿真，但该方法对实体的渲染着色、动 画及消隐都要另行编程实现，开发工作量很大，难度高。 现在一种新的途径是利用j a v a 和v r m l t 8 j f v i r t u a lr e a l i t ym o d e l i n gl a n g u a g e ) 来 一 华中科技大学硕士学位论文 对机床进行三维建模与仿真 1 9 4 1 1 。利用v r m l 来构造机床的几何模型，用j a v a 实现 辩模型簸控。j a 、姨戆热天为v r m l 捷供了强大的缡毽戆力叛及蟋络游运凌麓，霞 v r m l 遮种描述性语畜对各种辩求功毹的扩充戚为可能：v r m l 完成场景的描述和接 秘斡定义，真正懿交夏秘高级应爆让j a v a 来突溅。正爨出予j a v a 移v p 。m l 鹣结合， 艇它稍残为副建藩予鼹络鼢大璐模虚叛环境静鬻悠综合平台箨鞠。 1 + 3 本文所做的工作 本文主要从以下几方面进行了研究与实践： l 、通过蜜凌鬣痰舞文簸秘送行广泛翁涌疆工撵，了戆秘零鬟了纛羧裁遗褒爨络裁迄蕊 现状和发展动态，并对艘拟现实环境的构造和逶现技术谶行了细致的研究。 2 、扶遴抒模式、数据模型、遗豫参考缝槐模型、网络摄羚摸型、对象管理等霓个方蠢 辩虚羧擎润钵系蹈构筑壤论上进行了分祈和讨论。 3 、分橱期硬究了三维凰彤平台蛉功s 模块，势对搀建避程孛傻罔鲍关键技术避行了选 撵。 4 、从几何模型、运动模型、控制模型和操作模型等几方蕊对虚拟机床建模。 5 、实瑰了霞寓纂予m t l i t i - a g e n t 潼羟车秘滟三维谤囊环壤。 6 华中科技大学硕士学位论文 2 基于m ulti - a g e n t 的虚拟车间体系结构分析设计 2 1 引言 虚拟车间是实际制造单元的( 网络化) 虚拟，根据本地或远程制造场所的设备环境， 从灵活性和再配置的角度出发对制造设备和单元进行虚拟建模，再通过模型进行加工过 程和流程仿真，进而实现可视化的制造能力评价，并最大限度地减少风险，降低工艺设 计和预制造成本，提高生产调度的敏捷性。基于m u l t i a g e n t 的虚拟车间通过将虚拟车 间的制造资源a g e n t 化，使制造资源能够进行任务加工的同时还能与外界交流，声明自 己的状态和能力，并承揽新的任务，实现敏捷调度。 虚拟车间实际上可以被看作是一种分布式虚拟现实【2 ( d i s t r i b u t e dv i r t u a lr e a l i t y ， d v r ) 系统。该系统是一种支持多个合作车间使用客户机通过网络进行远程实时交互及 协作的虚拟现实系统。在这个基于网络的虚拟环境中，位于不同物理位置的多个虚拟车 间通过网络互相联结，并且多个用户在该基于网络的计算机集合中，利用新型的人机交 互技术进入由计算机产生的多维的、适应于用户的、与应用相关的仿真情景环境。d v r 的研究开发工作早在2 0 世纪8 0 年代初就开始了，近年来网络技术的飞速发展更进一步 推进了d v r 的研究和开发。分布式虚拟现实系统体系结构是d v r 研究中的一项很重 要的内容，是今后虚拟现实技术发展的重要方向之一。本课题就是在这种趋势下，从事 虚拟车间的相关研究工作。 2 ，2 虚拟车间的模型和结构 2 2 1 虚拟车间的运行模式 虚拟车间的运行分为三个时期： 1 、组建时期 虚拟车间是面向任务的，当某一生产车间收到工作任务后，经过决策管理系统传送 到总体设计由总体设计得到初步加工生产方案，结合本车间的生产资源信息，车间只掌 握核心功能，即把车间知识和技术依赖性强的高增值部分掌握在自己手里，其他低增值 部分虚拟化【2 4 i ，分析并公布对外招标信息。这是虚拟车间的酝酿时期。在i m e m e t 上发 华中科技大学硕士学位论文 布招标信息后，通过决策管理系统，选择出所需的成员车间。动态联盟的构成必须是： ( 1 ) 标准化、专业化的计算机网络和信息集成基础结构，以分布式结构接连各类 车间构成虚拟制造系统； ( 2 ) 竞争合作为原则在虚拟制造环境内动态选择成员，组成面向任务的虚拟车阳j 进行快速生产。 2 、运作时期 虚拟车间组建完毕，各车间将自己提供的资源信息发送给决策管理系统和总体设计 模块，总体设计模块根据虚拟车间的各种信息得到完整的生产加工设计，最终由任务分 解及调度系统给出各成员车间的任务，各成员车间开始面向任务的生产加工。决策管理 系统还需要对生产中各成员车间出现各种故障时做出即时反应。 3 、解体时期 当虚拟车间的一次面向任务的工作完成之后，车间解散。 虚拟车间的基本运行模式如图2 1 所示。 图2 1 虚拟车间的运行模式 2 2 2 基于m u l t i a g e n t 的虚拟车间 以动态联盟方式形成的虚拟车间通过i n t e m e t 进行快速协同工作，这就使其生产管 理方式与传统生产车间有很大的区别。动态联盟的生产管理是- $ 9 在任务时间一地理 位置并行的组织模式下，采用分布式人工智能技术研究具有自组织和自协调的合作竞争 机制。以往的调度算法解决不了动态及快速响应市场的问题。为了解决这个问题，一些 华中科技大学硕士学位论文 学者开始将a g e n t 应用到生产调度方法中。a g e n t 是一种主动对象。它与面向对象方法 有所区别： 1 、a g e n t 可主动运行，有自己的目标和行为，可由外部激励或内部状态而启动，而 o b j e c t 是纯被动的，只能由外部的消息控制。 2 、a g e n t 是一个自治的实体，具有自己的知识和分析问题方法，能理解信息并控制 自己的行为，而o b j e c t 只能机械地执行所规定的动作。 3 、a g e n t 能根据推理规则进行信息的抽象，而o b j e c t 却不具备推理功能。 车间生产中提高效率、柔性、可靠性的关键技术就是作业调度和控制技术。为了更 好的支持敏捷制造，其中的一种思想就是将虚拟车间的制造资源a g e n t 化，对建立的 a g e n t 要求能完成两个任务：首先，它能够代表客户工作；其次，它可以把设备资源包 装起来，引导并代替用户对这些资源进行访问，成为便于通达这些资源的枢纽和中介， 而且它还负责对制造资源的自治管理。如图2 2 所示，为设备a g e n t 结构，其中服务器 负责本设备的加工任务的执行，而管理器则负责与外部的信息交流和服务器的工作日程 管理。在三维模型车间中，通过对设备建立对应的三维模型，由资源服务器提供加工生 产指令和管理信息，最终完成三维仿真环境下虚拟的加工过程。另一方面，在这个 m u l t i a g e n t 单元中，人占有主导地位，而a g e n t 管理器主要用来辅助管理节点上的各种 资源和调度工具。a g e n t 管理器的辅助管理使得设计者在虚拟三维环境下提供更多的注 意力在调度任务上，从而提高设计效率。 图2 2 虚拟殴各资源a g e n t 结构 9 华中科技大学硕士学位论文 2 3 虚拟车间系统的管理及其实现 2 2 3 虚拟车间系统的数据管理 1 集中式复制式结构 在虚拟车间运行过程中，需要进行数据信息的实时交互。根据分布式环境下所运行 的共享应用系统的个数，可把虚拟车间系统中的数据管理分为集中式结构和复制式结 构。集中式结构是只在中心服务器上运行一份共享应用系统。中心服务器的作用是对多 个客户机的输入输出操作进行管理，允许多个客户机信息共享。它的特点是结构简单， 容易实现，但对网络通信带宽有较高的要求，并且高度依赖于中心服务器。复制式结构 是在每个客户机上复制中心服务器，这样每个客户机都有一份共享应用系统。服务器接 收来自于其它工作站的输入信息，并把信息传送到运行在客户机上的应用系统中，由应 用系统进行所需的计算并产生必要的输出。它的优点是所需网络带宽较小。另外，由于 每个客户机只与应用系统的局部备份进行交互，所以，交互式响应效果好。但它比集中 式结构复杂，在维护共享应用系统中的多个备份的信息或状态一致性方面比较困难。 2 统一的局部数据库不同的局部数据库 现有的多用户虚拟现实系统可分为两大类：第一类是指组成虚拟场景的所有对象 ( 也称为数据库) 是完全相同的，即虚拟场景是统一的。虽然不同的用户可以观察虚拟场 景的不同部分，但是在局部数据库中装入相同的对象。即虚拟车间的任何一个成员在其 本地服务器中，观察到的场景和信息是完全相同的。在第二类系统中，局部虚拟世界不 必共享相同的对象集，各个局部数据库中的内容并不相同。这种情况下，成员所观察到 的场景和信息只是和其相关的内容，与其无关的场景和信息被略去，可以减少了数据的 传输。在复制式结构中，有些系统使用统一的局部数据库，有些系统使用不同的局部数 据库。 在联网的计算机系统( 也称为共享d v r 平台) 这种硬件平台中，常使用单个计算机 作为主机，主机维持虚拟现实的状态。它与多个图形计算机通过高速网进行通讯，每个 图形计算机负责图形生成的计算工作并提供于用户交互的接口。在有些d v r 系统中， 使用c l i e n t s e r v e r 方法。服务器作为中心工作站，负责协调绝大多数的仿真活动，它要 维护仿真环境中所有虚拟对象的状态。客户进程管理局部仿真活动，与i o2 1 2 具进行交 互并完成图形绘制。m u l t i - a g e n t 虚拟车间就属于这种类型。有些情况下，服务器本身也 是分布式的，每个服务器负责协调管理不同地点的仿真活动。 华中科技大学硕士学位论文 2 2 3 虚拟车间系统中的对象管理 分布式虚拟现实系统是一个相当复杂的系统，它的设计和实现的困难程度远高于简 单的应用系统开发。近几年来，面向对象技术逐渐成为虚拟现实系统的设计方法。面向 对象技术是一个认识论和方法学的基本原则，用面向对象的软件技术来设计一个系统或 分析一个问题时，我们根据设计的进程及分析问题的繁简程度，把这个系统或问题分解 成为一些对象，并且以消息的形式在各对象间建立联系。用面向对象技术司以简化复杂 系统的设计。 面向对象的软件是把数据以及与它相关的过程封装在一个对象之类，从而使对象成 为比数据和过程的结构层次更高的计算实体。对象既可以像数据一样被处理，又可以像 过程一样去描述处理的流程和细节。 对于虚拟车间系统来说，保持场景数据的一致性至关重要。车间中是以制造设备为 管理对象的，与设备相关的数据分静态和动态两种。静态数据有：机床名称、类型、型 号；机床加工范围数据；机床精度数据；机床性能的相关图表、资料；机床所在地点等。 动态数据是指虚拟模型的加工过程所产生的制造精度、状态等仿真数据。通常可以采用 分布式共享内存来实现数据库的一致性。系统中的管理对象分为两种：本地对象和共享 对象拷贝。本地对象是每个站点所独有的对象，这些对象没有被其它站点分享。共享对 象拷贝指与其它站点共享的对象。每个共享对象只能属于一个主服务器指定的共享分 组，这个对象只能被同一共享分组内的站点所共享。当某个共享对象的状态发生改变时， 这个对象负责将这个改变通知共享分组中的所有其它站点，完成场景拷贝的同步更新。 2 2 4 网络拓扑模型 在现有的分布式虚拟现实系统中，常用的通信模型有两种：对等模型和层次模型( 常 用的有c 1i e n t s e r v e r 和b r o w s e r s e r v e r 模型) 。在对等模型中，系统由一组通过网络 连接在一起的工作站组成，这些工作站可以直接发消息到其它的对等的工作站。对等通 信模型的主要困难是扩充性不好。在对等通讯模型中，消息的传送主要有三种方式：点 对点、多播和广播。 c l i e n t s e r v e r 模型是只有两层的层次模型。在c l i e n t s e r v e r 通信模型f 层次模型) 中，系统提供一台或多台服务器，服务器作为中心工作站，负责协调绝大多数的仿真活 动，维护虚拟现实中所有虚拟对象的状态。用户工作站运行客户进程管理用户在虚拟现 实中的化身，管理局部仿真活动，与i 0 工具进行交互并完成图形绘制。服务器本身也 可以是分布式的，每个服务器负责协调管理不同地点的仿真活动。系统的用户之间的通 “ 华中科技大学硕士学位论文 讯都是通过消息服务器来管理的，用户不需要直接发消息给其他用户，而是把消息发送 给服务器，再由服务器把这些消息发送给相应的客户。 在这两种通信模型中，主要有两个因素阻碍系统的可扩展性：带宽瓶颈和计算瓶颈。 带宽瓶颈：在虚拟车间中，最根本的要求是每时每刻都要保持分布站点各主机间场 景和场景中各虚拟实体行为的一致性，以维护整个系统的统一。通常在虚拟场景中有很 多独立的实体，这些实体都有自己的几蚵描述和行为。有些则具有动态行为。这些动态 实体一些由计算机控制仿真( 如数控机床的生产加工仿真由a g e n t 控制完成) ；另一些则 由用户通过输入设备控制( 如设备的布局等) 。当分布式仿真这个环境时，任何一个用户 对虚拟场景做的任何改变f 包括几何外形、行为等) 都应该及时通知系统中的其他用户。 即各实体之间必须实时交换大量的状态信息，由此引起的通讯量占了分布式虚拟现实系 统间总通讯量的大部分。 对等系统通常采用广播或多播的方式进行消息的交换，实体向分布式虚拟现实中的 所有主机报告其状态，随着系统的日益扩大，实体广播引起的通讯负荷将迅速超过任何 网络介质所能承受的极限，造成系统的带宽瓶颈。即使采用消息过滤器以便使每个更新 消息不被送到每个对等的用户，依然不能无限制的扩展。同时，分布式虚拟现实系统又 有很高的实时性要求，这使得开销较大的可靠通讯协议如t c p 难以在较大规模的分布 式虚拟现实中采用，而不得不采用不可靠通讯协议如u d p 来完成实体问的通讯，由于 信息在传送过程中可能丢失，损害了系统的一致性，导致系统的健壮性下降。 在c l i e n t s e r v e r 系统中，由服务器管理用户之间的通讯。对每个实体的更新，用户 发送一个更新消息给服务器，该服务器再将消息复制给另外的服务器和那些可以看到状 态更新的用户。这种结构的主要优点是消息分发负担从用户主机转移到服务器。主要缺 点是引入了更新消息的额外延迟。 计算瓶颈：分布式虚拟现实涉及许多复杂的运算如实体间的运动或碰撞检测，需要 耗费大量的处理器时间，因此需要多台计算机来协同完成计算任务。在虚拟现实中动态 物体的状态、位置改变会引起这些计算机的负载的不平衡，于是就需要有一个任务调度 程序来协调这些计算机的工作。 b r o w s e r s e r v e r 是三层层次模型。b r o w s e r s e r v e r 模式为c s 模式的扩展，采用三层 结构即b r o w s e r w e b s e r v e r d a t a b a s e s e r v e r 组成了浏览器，w e b 服务器和后台服务器的 三层计算模式。这种计算模式方便了原有的c l i e n t s e r v e r 中客户机与服务器端的联系。 可以看出，三层b r o w s e r s e r v e r 模式增加了较厚的中间件，形成“瘦客户机一胖中间层 一瘦服务器”的计算模式，这种模式比较适合于i n t e m e t i n t r a n e t 的数据库发布信息系统。 客户端只需安装和运行浏览器软件。而在w e b 服务器端安装w e b 服务器软件和数据库 管理系统。b r o w s e r s e r v e r 结构提供了一个跨平台的简单一致的应用环境，与传统的管 理信息系统相比，实现了开发环境与应用环境的分离，使开发环境独立于用户的应用环 华中科技大学硕士学位论文 境。 b r o w s 。r s e r v e r 系绞三层绩稳分裂巍： 1 1 表示层( w e b 测览器) 表示层为用户接口部分，怒用户与系统之间交互信息的界蕊。它的主要功裁是检查 用户输入的数攥，显示系统输密的数据。它的任务是由w e b 测黧器向潮络上的菜一w e b 服务器提出服务请求，w e b 服务器对用户身份进行验证后用h t t