丁來軍，丁 寧

(1.中航工業(yè)空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471009；2.中航光電科技股份有限公司，河南 洛陽 471003)

基于模型的可視化技術(shù)提升企業(yè)產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)能力

丁來軍1，丁 寧2

(1.中航工業(yè)空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471009；2.中航光電科技股份有限公司，河南 洛陽 471003)

為適應(yīng)市場(chǎng)變化，國(guó)內(nèi)外軍工企業(yè)逐步將MBD技術(shù)拓展到產(chǎn)品研制的管理領(lǐng)域，通過MBE模型，將產(chǎn)品研制過程中的設(shè)計(jì)、仿真、工藝、制造、維修和管理等不同專業(yè)領(lǐng)域的所有信息有機(jī)地組合在一起，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新。然而，來自不同領(lǐng)域、不同專業(yè)的利益相關(guān)者使用的軟件不同，數(shù)據(jù)格式也各不相同，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)迫切需要彼此能直觀地交互信息，產(chǎn)品研制數(shù)據(jù)變化能主動(dòng)使項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)利益相關(guān)者感知產(chǎn)品性能的變化并能夠快速做出決策；因此，在現(xiàn)有企業(yè)信息化體系架構(gòu)基礎(chǔ)上增加了全三維互動(dòng)可視化功能。通過開發(fā)，使MBE模型技術(shù)與可視化技術(shù)相融合，將研發(fā)過程中的流程與數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來，通過全三維全屬性的沉浸式互動(dòng)環(huán)境，使IPT團(tuán)隊(duì)的每個(gè)人工作及行為都與研制過程實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)，把并行協(xié)同的設(shè)計(jì)理念轉(zhuǎn)變成可操作的工作流程，從而提升企業(yè)研制能力。

模型技術(shù)；可視化技術(shù)；協(xié)同創(chuàng)新

1 現(xiàn)狀

在當(dāng)今全球緊密聯(lián)系且激烈競(jìng)爭(zhēng)的環(huán)境中，企業(yè)需要快速推出更多具有創(chuàng)新性和高質(zhì)量的產(chǎn)品，以應(yīng)對(duì)日益加大的市場(chǎng)壓力。對(duì)于國(guó)防及軍工等大型設(shè)計(jì)生產(chǎn)企業(yè)，隨著市場(chǎng)環(huán)境的不斷變化，用戶對(duì)產(chǎn)品個(gè)性化需求更加強(qiáng)烈，對(duì)產(chǎn)品交付周期的要求越來越短，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量及可靠性的要求越來越高。另外，在產(chǎn)品主價(jià)值鏈上，不同崗位的人員創(chuàng)造大量產(chǎn)品相關(guān)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)來源于設(shè)計(jì)、仿真、工藝、制造、維修和管理等不同專業(yè)領(lǐng)域，數(shù)據(jù)格式各不相同，也千差萬別。在產(chǎn)品研制過程中，產(chǎn)品開發(fā)團(tuán)隊(duì)(Integrated Product Team，IPT)的成員需要彼此交互信息，通過高級(jí)數(shù)據(jù)互動(dòng)賦予數(shù)據(jù)意義，并直觀地呈現(xiàn)出豐富信息，使數(shù)據(jù)變得更容易被用戶理解，能夠快速做出重要決策。盡管這些決策的質(zhì)量和速度對(duì)產(chǎn)品能否在市場(chǎng)上取得成功有著深遠(yuǎn)影響，然而，每個(gè)決策的做出都可能要基于數(shù)量巨大且不斷增加的分散數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信息；因此，企業(yè)如何通過科技創(chuàng)新手段快速適應(yīng)市場(chǎng)的變化，形成企業(yè)真正的持續(xù)核心競(jìng)爭(zhēng)力，是諸多制造業(yè)企業(yè)所共同面臨的問題。

2 需求

2.1 模型技術(shù)

由于航空制造業(yè)研制手段從二維向全三維過渡，試驗(yàn)和驗(yàn)證從實(shí)物發(fā)展到虛擬仿真，研制技術(shù)從最初串行、同地域單點(diǎn)技術(shù)的應(yīng)用向跨地域/跨企業(yè)的、多系統(tǒng)的數(shù)字化全生命周期的集成應(yīng)用，研制的業(yè)務(wù)范圍由基于模型的產(chǎn)品定義(Model-Based Definition，MBD)(見圖1中粗線框內(nèi)區(qū)域)拓展到詳細(xì)設(shè)計(jì)之前和生產(chǎn)制造之后，即圖1中粗線框外區(qū)域基于模型的企業(yè)(Model-Based Enterprise，MBE)。MBE技術(shù)是美國(guó)下一代制造技術(shù)之一，由愛荷華大學(xué)牽頭，由Rockwell Collins公司、波音公司和雷神導(dǎo)彈系統(tǒng)公司資助并在相關(guān)型號(hào)中應(yīng)用。其宗旨是將最初以設(shè)計(jì)制造為主的業(yè)務(wù)管理體系，擴(kuò)展到綜合管理、項(xiàng)目管理、需求管理、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品仿真、產(chǎn)品制造、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、生產(chǎn)管理和綜合保障等全生命周期的協(xié)同設(shè)計(jì)與管理，實(shí)現(xiàn)航空制造業(yè)務(wù)全過程中客戶需求、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、配置功能和分析決策的全面結(jié)合。所以以模型為載體，在縱向上實(shí)現(xiàn)從市場(chǎng)需求、研制到維護(hù)保障的全生命周期業(yè)務(wù)的數(shù)字化；在橫向上實(shí)現(xiàn)研制過程中的技術(shù)、人、財(cái)、物、法、環(huán)全方位管理的信息化，從而形成對(duì)業(yè)務(wù)發(fā)展和管理決策的全面支撐。

基于模型的企業(yè)是基于產(chǎn)品3D定義的，目的是使企業(yè)從原理到退役處理的產(chǎn)品全生命周期的所有業(yè)務(wù)過程、技術(shù)方法和管理決策活動(dòng)能夠快速、流暢和經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行。產(chǎn)品研制過程中的設(shè)計(jì)、仿真、工藝、制造、維修和管理等不同專業(yè)領(lǐng)域的所有信息，通過MBE模型被有機(jī)地組合在一起(見圖2)。產(chǎn)品數(shù)字研制過程的實(shí)質(zhì)是創(chuàng)建模型、添加屬性、數(shù)據(jù)傳遞和數(shù)據(jù)應(yīng)用過程。將研發(fā)過程中的流程與數(shù)據(jù)串聯(lián)起來，使相關(guān)人員全面掌握產(chǎn)品的全生命周期信息，從而實(shí)現(xiàn)高效協(xié)作。

基于模型技術(shù)解決了復(fù)雜產(chǎn)品在研制過程中IPT團(tuán)隊(duì)協(xié)調(diào)工作對(duì)產(chǎn)品定義問題，但沒有實(shí)現(xiàn)以最直觀的方式提供豐富的信息，讓團(tuán)隊(duì)所有成員認(rèn)知來自不同學(xué)科和不同領(lǐng)域的資料與任何一個(gè)個(gè)體所承擔(dān)職責(zé)的有用關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)。

圖1 MBD向MBE應(yīng)用拓展表達(dá)

圖2 SIEMENS提供的MBE數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系

2.2 可視化技術(shù)

以圖形的方式觀察和認(rèn)識(shí)客觀事物，是人類最便捷的認(rèn)知方式。人們所感受的外界信息80%以上來自于視覺，圖形技術(shù)的重要影響由此可見一斑。在制造企業(yè)內(nèi)部及企業(yè)之間，產(chǎn)品數(shù)據(jù)的交流是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)上一般采用紙質(zhì)文件作為交流媒介。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電子圖樣和電子文件逐漸成為了一種重要的交流媒介。5年前，由于技術(shù)和應(yīng)用方面的原因，多數(shù)研究集中在開發(fā)先進(jìn)的圖形渲染技術(shù)，使用戶感受到接近真實(shí)的視覺效果(見圖3)；但是，在工程化應(yīng)用過程中，如果一味地追求產(chǎn)品如何地“逼真”、如何地“炫”，這種華而不實(shí)的數(shù)據(jù)可視化形式無法達(dá)到IPT團(tuán)隊(duì)協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)和溝通的目的，也不是工程可視化的發(fā)展方向。工程可視化旨在借助于圖形化手段，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形或圖像，并在屏幕上顯示出來，通過互動(dòng)方式，將MBE定義的產(chǎn)品屬性及相互關(guān)系，采用模型、圖表和曲線清晰有效地表達(dá)數(shù)據(jù)的變化，以及由于數(shù)據(jù)變化造成的直接影響，確保對(duì)工程質(zhì)量、進(jìn)度和成本決策起著支撐作用。

圖3 三維汽車模型可視化效果圖

可視化技術(shù)就是通過使用富于說服力的三維可視化克服語言障礙，把復(fù)雜工程問題簡(jiǎn)單化，每個(gè)人看到一種設(shè)計(jì)方案都可以加入自己的意見，不論使用的是何種應(yīng)用系統(tǒng)，也不需要IT技術(shù)人員幫助做數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。工程可視化在這里已經(jīng)變成產(chǎn)品決策、變更管理和流程批準(zhǔn)的工具。設(shè)計(jì)人員在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，從而降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，把更多的時(shí)間留給設(shè)計(jì)與制造。

3 方案

目前，企業(yè)正在向著綜合性的協(xié)同設(shè)計(jì)制造體系的方向發(fā)展，其主要目的是打破傳統(tǒng)的各部門、各專業(yè)各自為戰(zhàn)的現(xiàn)象，加強(qiáng)橫向與縱向的溝通交流與協(xié)同，盡量在產(chǎn)品研發(fā)制造的全過程中充分考慮到多種因素的影響，以提高工作質(zhì)量及效率，減少設(shè)計(jì)缺陷與返工，最終達(dá)到更高的產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)縮短研發(fā)制造周期并降低投入成本[1]。

3.1 系統(tǒng)組成部分

企業(yè)信息化應(yīng)用架構(gòu)分為兩大部分：一部分是企業(yè)產(chǎn)品模型；另一部分是全三維互動(dòng)可視化部分。企業(yè)信息化體系架構(gòu)如圖4所示。

圖4 企業(yè)信息化體系架構(gòu)

3.2 軟件部分

軟件部分包括下述內(nèi)容。

1)物理仿真。實(shí)現(xiàn)模型物理屬性的定義、編輯和取消，動(dòng)態(tài)干涉檢查，模型行為約束，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)，裝配自動(dòng)捕獲等。

2)人機(jī)工效。對(duì)交互過程中對(duì)人體模型可操作性、可維護(hù)性進(jìn)行檢驗(yàn)，分析操作舒適性。

3)模型渲染。提供多種光源、貼圖材質(zhì)及紋理特效。可實(shí)現(xiàn)高分辨率的靜態(tài)圖片、全高清的動(dòng)態(tài)視頻等。

4)動(dòng)畫編制。支持多個(gè)視頻軌及多種重復(fù)模式，可用于編輯復(fù)雜的動(dòng)畫，生成相應(yīng)的全高清3D視頻。

5)數(shù)據(jù)接口。用于與CAD軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

3.3 硬件部分

硬件部分包括網(wǎng)路環(huán)境、固定式沉浸展示環(huán)境、應(yīng)用工作站及數(shù)據(jù)服務(wù)器、服務(wù)器集群控制與管理、數(shù)據(jù)資源管理、模型輕量化處理、大規(guī)模數(shù)據(jù)運(yùn)算、立體影像渲染和數(shù)據(jù)使用終端計(jì)算機(jī)等。

4 應(yīng)用

在企業(yè)現(xiàn)有模型應(yīng)用環(huán)境中，在頂層構(gòu)架了可視化系統(tǒng)，完善了企業(yè)信息化體系架構(gòu)[2-3]。

基于MBE的可視化應(yīng)用實(shí)例如圖5所示。企業(yè)的模型系統(tǒng)是SIEMENS系統(tǒng)的TC/PDM、TC/PM、NX/CAD、NX/CAE和NX/CAM等，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)的產(chǎn)品模型、仿真模型、工藝模型、加工模型、維修模型和管理模型通過數(shù)據(jù)接口及時(shí)推送到可視化系統(tǒng)。

圖5 基于MBE的可視化應(yīng)用實(shí)例

在整個(gè)產(chǎn)品研發(fā)過程中，客戶、供應(yīng)商和設(shè)計(jì)部門能夠在跨學(xué)科、跨地域的情況下對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)準(zhǔn)確理解，同時(shí)又能保證產(chǎn)品的功能性與可制造性、可維修性、可維護(hù)性，特別是產(chǎn)品研制與項(xiàng)目管理屬性相關(guān)，并以直觀、可視方式展示，從而實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的及時(shí)協(xié)調(diào)，縮短產(chǎn)品的研發(fā)時(shí)間，降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)對(duì)產(chǎn)品研制的進(jìn)度、成本做到項(xiàng)目可控。

5 結(jié)語

通過項(xiàng)目實(shí)施，解決了復(fù)雜產(chǎn)品研制過程中項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)內(nèi)部設(shè)計(jì)、工藝、仿真、制造、檢測(cè)和管理等不同職能人員的及時(shí)有效溝通及決策，解決了對(duì)實(shí)物樣機(jī)和樣機(jī)試驗(yàn)的過分依賴問題，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、五性設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、檢驗(yàn)設(shè)計(jì)和研制管理的不同領(lǐng)域、不同專業(yè)的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)與展示。通過全三維全屬性的沉浸式互動(dòng)環(huán)境，使IPT團(tuán)隊(duì)的每個(gè)人工作及行為都與研制過程發(fā)生關(guān)系，并且及時(shí)地反應(yīng)這種關(guān)系對(duì)產(chǎn)品研制的影響。工程可視化環(huán)境已經(jīng)把并行協(xié)同的設(shè)計(jì)理念轉(zhuǎn)變成了可操作的工作流程，也改變了傳統(tǒng)串行的產(chǎn)品決策、變更管理和流程批準(zhǔn)的工作模式。

[1] 李建強(qiáng), 范玉順. 企業(yè)集成平臺(tái)技術(shù)研究[J]. 計(jì)算機(jī)科學(xué), 2004, 31(1): 66-68.

[2] 丁曉陽, 丁來軍. 建設(shè)CAD/CAE數(shù)字設(shè)計(jì)/仿真平臺(tái)[J]. CAD/CAM與制造業(yè)信息化, 2006(8): 4-8.

[3] 曹虎，曲強(qiáng)，應(yīng)小昆，等. 企業(yè)信息化綜述[J]. 新技術(shù)新工藝，2014(10)：52-55.

責(zé)任編輯鄭練

TheResearchonImprovingCollaborativeDesignCapabilitieswithVisualizationTechnologybasedonModel

DING Laijun1, DING Ning2

(1.China Airborne Missle Academy, Luoyang 471009, China;2.China Aviation Optical-Electrical Technology Co., Ltd., Luoyang 471003, China)

As the market changes, MBD technology is used in management. In the product development process, MBD technology can get the information from design, simulation, technology, manufacturing, maintenance and management together. However, different data formats from different users, and it can’t be visually interactived. Only product developing data changes in real time can help the user to obtain a product performance changes and make decisions. Therefore, the 3D visualization based on the enterprise information system is critical. By developing this technology, make the MBE model and visualization technology together, at the same time make the process and data together. Through the full three-dimensional whole property immersive interactive environment, each person's work and developing process in the IPT team is correspondence, so that can enhance business developing capabilities.

model technology, visualization technology, collaborative innovation

TP 391.9

:A

丁來軍(1962-)，男，高級(jí)工程師，主要從事企業(yè)信息化、產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)技術(shù)、MBD/MBE技術(shù)應(yīng)用、產(chǎn)品可視化技術(shù)和工藝流程信息化等方面的研究。

2015-04-07