虚拟样机技术

第 13卷第 1期 系 统 仿 真 学 报 Volume 13 Number 1 2001年1月 JOURNAL OF SYSTEM SIMULATION January 2001 文章编号:1004-731X (2001) 01-0114-04 虚 拟 样 机 技 术 熊光楞 1, 李伯虎 2, 柴旭东 1 (1清华大学国家CIMS中心,北京 100084; 2 航天机电集团第二研究院, 北京 100854) 摘 要: 研究并论述了虚拟样机技术的内涵 体系结构及其关键技术 并对作者给出的一个支 持复杂产品 含机械 电子 软件 控制等子系统 虚拟样机开发的支撑环境 包括VP开发环 境 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 数据交换格式 分布式产品模型数据库三部分 作了介绍 以促进虚拟样机技术在我 国企业的实施与发展 关键词 虚拟样机; 体系结构; 支撑环境 中图分类号: TP278; TP391.9 文献标识吗: A Virtual Prototyping Technology XIONG Guang-leng 1, LI Bo-Hu2, CHAI Xu-dong 1 1Tsinghua University National CIMS Central, Beijing 100084, China; 2Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100854, China) Abstract: In this paper, the connotation, architecture and its key technologies for Virtual Prototyping are studied and presented. A given Virtual Prototype development supporting environment for complex system composed with some subsystems including mechanical subsystem, electronic subsystem, software subsystem and control subsystem consists of VP development environment, standard data interchange formats and distributed product model database, and its details are also introduced to facilitate the practice and development for virtual prototyping technology in our country. Keywords: virtual prototyping; architecture; supporting environment 1 引言1 近年来 制造业间的竞争日趋激烈 激烈竞争的核心是 以知识为基础的新产品的竞争 在持续性发展战略下 为了 提高产品竞争力 各类制造企业必须解决其新产品的 T 上 市时间 Q 质量 C 成本 S 服务 E 环境 难题 另一方面 世界进入全球的知识经济时 代 现代信息技术得到飞速发展与广泛应用 这一切都极大 地促进了传统制造业的发展与革命 其中 作为 21世纪的新 先进制造模式敏捷制造的关键使能技术 虚拟样机技术 VP virtual prototyping 正成为各国纷纷研究的新的热点 2 虚拟样机技术概述 2.1虚拟样机技术内涵 虚拟样机技术是一种崭新的产品开发 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 它是一种 基于产品的计算机仿真模型的数字化 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 方法 这些数字模 型即虚拟样机 virtual prototype 将不同工程领域的开发 模型结合在一起 它从外观 功能和行为上模拟真实产品 支持并行工程方法学 虚拟样机技术涉及多体系统运动学与 动力学建模理论及其技术实现 是基于先进的建模技术 多 收稿日期 2000-06-18 作者简介 熊光楞 1936- 男 上海人 教授 研究方向为控制理论 与控制工程 制造系统仿真与集成 并行工程 调度及协同工作理论等 领域仿真技术 信息管理技术 交互式用户界面技术和虚拟 现实技术的综合应用技术 虚拟样机技术是在 CAx 如CAD CAM CAE等 / DFx 如DFA DFM等 技术基础上的发展 它进一步融合信息技 术 先进制造技术和先进仿真技术 将这些技术应用于复杂系统 全生命周期 全系统 并对它们进行综合管理 从系统的层面来 分析复杂系统 支持 由上至下 的复杂系统开发模式 利用虚拟样机可代替物理样机对产品进行创新设计 测试和评估 缩短开发周期 降低成本 改进产品设计质量 提高面向客户与市场需求的能力 2.2 虚拟样机系统的体系结构 虚拟样机开发过程实质上是一种基于模型的不断提炼 与完善的过程 一个复杂系统通常由电子 机械 软件及控 制等子系统组成 其虚拟样机体系结构如图 1所示 体系结构由系统级 电子分系统 机械分系统 控制分 系统 软件分系统 VP 引擎 VR/可视化环境和环境模型 库 产品模型库等部分组成 其中 系统级 电子分系统 机械分系统 控制分系统和软件分系统分别由产品 /分系统 的设计开发和产品 /分系统的外观 /功能/行为建模仿真两部 分组成 系统级负责产品在系统层次上的设计开发与样机的 外观 功能 行为的建模 如样机的动力学/运动学建模仿 真 样机在特定环境下的行为建模仿真等 VP引擎对样机 第 13卷第 1期 熊光楞等 虚拟样机技术 • 115 • VR/可视化环境 视觉渲染 听觉渲染 触觉渲染 VP VP引擎 功能仿真 行为仿真 外观模拟 仿真事件 机械分系统 产品设计开发 CAX/DFX 产品外观/功能/ 行为建模与仿真 电子分系统 产品设计开发 EDA/CAD 产品外观/功能/ 行为建模与仿真 软件分系统 产品设计开发 CASE 产品功能/行为 建模与仿真 控制分系统 产品设计开发 MatrixX 产品功能/行为 建模与仿真 产品信息 产品信息 产品信息 产品信息 系统级 产品设计开发 产品外观/功能/ 行为建模与仿真 产品信息 仿真事件/控制消息 环境 模型 环境模型库 视觉渲 染模型 触觉渲 染模型 产品模型库 模型 工具 仿真事件/控制消息 图 1 VP 系统的体系结构 的外观/功能/行为进行模拟仿真 并将生成的仿真数据送入 VR/可视化环境 经过 VR 渲染后从外观 功能以及在虚拟 环境中的各种行为上展示样机 3 虚拟样机关键技术 虚拟样机技术的开发与实施涉及许多关键技术与相关 研究领域 如系统总体技术 建模/仿真技术 虚拟现实 VR 技术 产品建模技术 模型 VV&A 校验 验证和确认 技术和支撑平台/框架技术等 下面着重谈谈系统总体技术 和建模仿真技术这两类关键技术 3.1 VP系统总体技术 VP 系统总体技术从全局出发 解决涉及到系统全局的 问题 考虑构成 VP的各部分之间的关系 规定和协调各分 系统的运行 并将它们组成有机的整体 实现信息和资源共 享 实现总体目标 总体技术涉及 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 化体系结构和采用的 标准 规范与 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 网络与数据库技术 系统集成技术和集 成工具 以及系统运行模式等 其中 系统集成技术和集成方法从全局考虑各分系统之 间的关系 研究各分系统之间的接口问题 对虚拟样机技术 来说 其核心是工程设计技术 建模/仿真技术和 VR/可视 化技术这三类技术的集成技术 如图 2所示 包括 1 产品工程设计环境 产品功能 /行为建模仿真环 境与 VR/可视化环境之间的集成技术 2 多领域产品开发环境之间的集成技术 3 多领域分布建模集成技术 4 多领域分布协同仿真技术 5 CAD/CAE/CAM/DFX的集成技术 6 建模仿真工具的集成技术等 虚拟样机 技术 VR/可视化 技术 建模 /仿 真 工程设计 开发技术 图 2 VP 三类技术的集成 随着信息技术的飞速发展 系统集成技术领域发展十 分迅速 如基于 Web 技术的应用系统集成技术 采用面向 对象和浏览器 /客户机 /服务器技术 基于 CORBA 和 COM/OLE规范的企业集成平台/框架技术 以因特网和企业 内部网及虚拟网络为代表的企业网络技术 异构分布的多库 集成和数据仓库技术等 其中 尤其值得指出的是基于 HLA 标准的先进仿真技术的发展 提供了支持三类仿真 构造仿 真/虚拟仿真/实况仿真 应用集成的综合仿真环境 支持不 同领域 不同类型的模型 /仿真应用之间的互操作与重用 可实现不同领域/类型的模型/仿真应用之间的分布 协同建 模/仿真 支持各类建模/仿真工具的集成等 有代表性的产品如MDI公司的 ADAMS和美国的集成 系统公司的仿真集成平台 Plug&Sim 目前 作者正致力于 基于 HLA/RTI 的仿真集成框架的研制 以支持复杂产品的 建模与仿真 仿真工具的集成与互操作 机械产品的动力学 仿真 复杂产品的系统级仿真 分布交互仿真 仿真活动与 仿真结果的管理等 并将自行研制开发的两个典型仿真工具 连续系统仿真软件 ICSL和连续/离散事件仿真语言 IHSL 集成在该仿真集成框架中 支持复杂系统虚拟样机的开发 3.2 系统建模/仿真技术 近年来 先进仿真技术得到飞速发展 建模技术已从对 实体的建模 发展到对环境的建模和对人类自身行为的建 模 仿真计算机从专用仿真机发展到通用个人计算机 大型 机 并行机及基于 Internet/web 技术的网络计算系统 人机 交互由初期的图形支持 到动画 交互式仿真 进一步发展 到基于矢量的图形支持 并向虚拟现实发展 仿真环境从支 持数学仿真 半实物仿真和人在回路仿真发展到能支持构造 仿真 虚拟仿真和实物仿真的并发 分布 交互 综合仿真 环境 其中 尤其是以 HLA 为代表的分布交互仿真技术 综合仿真环境技术和虚拟现实技术的发展 为虚拟样机技术 的实现提供了良好的技术基础 随着系统模型的复杂程度的 越来越高 为提高建模质量和有效性 层次化建模和模型抽 象技术 复杂模型的集成与分解技术 多模式建模技术 并行和分布式建模技术 基于WEB的建模仿真技术 基于 系 统 仿 真 学 报 2001年1月 • 116 • 知识的建模技术等将是未来建模技术的发展方向 在产品建模技术上 虽然经历了二维几何建模 三维几 何建模 特征建模 集成建模和智能建模等阶段 但还主要 集中在产品的几何信息描述上 对虚拟样机这类复杂系统 模型类型与种类被大大地拓宽了 包含了许多非几何的信 息 尤其是系统的动态行为信息 这就要求能对这些模型进 行有效地描述 组织和管理 给用户提供一个逻辑上一致的 公共产品模型 使不同领域工程人员可基于它获得 /产生相 应的产品信息 并可对其进行创新性设计开发活动 目前的 大部分模型只反映描述了真实世界的某一特定方面 从静态 和/或动态系统行为 即是一种单模式建模策略 随着被建 模系统复杂程度的越来越高 为提高建模质量和有效性 支 持模型的重用与互操作 面向对象建模技术 通用建模与模 型抽象技术 层次化/多视图建模技术和Meta建模技术已被 应用于产品建模 先进的产品建模技术将进一步解决传统产 品模型在开放性 可扩展性 可获取性 可重用性和互操作 性等上的不足 4 虚拟样机支撑环境 为高效支持虚拟样机的开发 系统的支撑环境应具备下 列特征 (1) 便捷 可靠地提供开发过程所需的各类模型 支持 工具 资源和支撑系统 以利于协同工作和有效地使用M&S 技术 (2) 支持不同功能学科 政府和工业部门的数据 模型 仿 真应用和其他支撑系统 网络 工具等 之间的互操作与重用 (3) 提供先进的 支持多领域的建模/仿真环境 (4) 支持 VR/可视化显示 (5) 支持并行工程方法学 (6) 最大限度地采用当前现存的流行产品 GOTS/COTS Government/Commercial Off-The-Shelf 和标准 以尽量减少 开发新的工具和支撑系统 (7) 具有开放性 可扩展性和灵活性 允许不同的实现方法 一个支持 VP系统开发的支撑环境如图 3所示 主要包 括 VP开发环境 标准数据交换格式和分布式产品模型数据 库三部分构成 1) VP 开发环境 支持复杂产品的虚拟开发活动 应由系统及各分系统 包括电子 机械 软件及控制/动力学仿真分系统 组成 一个层次化的体系结构如图 4所示 分为系统框架层 领域 框架层 分系统框架层 应用系统层和多领域协同工作层 2) 标准数据交换格式 开发环境支持信息的共享和重用 为利于互操作 尤其 是工具 模型与数据的互操作还必须定义相应的数 分 布 式 产 品 模 型 数 据 库 工作流 人员 仿真 分析 基 本 产 品 数据 产品 执 行 规 则 过 程 状 态 领 域 视 图 模 型 V P 开 发 环 境 组 织 过 程 产 品 工 具 数 据 交 换 格 式 D I F 项 目 图 3 虚拟样机支撑环境 数据转换 工具 设计工具 CSCW 软件 PPPO建模 管理工具 PPPO视图 VR 支撑软件 分系统框架层 系统框架层 标准的计算环境 CORBA/RMI/RTI/HTTP 网络和数据库系统 硬件和系统软件环境 机械分系统 系统信息平台/软总线 项目管理(P) 产品管理 (P) 过程管理(P) 组织管理 (O) 电子分系统 软件分系统 控制/动力学仿真分系统 应用系统层 资源浏览器 工具视图 多领域协同工作层 系统工具 图 4 VP 开发环境 据交换标准 DIF (DIFs Data Interchange Formats) 通过定 义一系列适当的 DIF标准 即可开发出相应的转换器 实现 不同的工具类或应用之间的互操作与信息重用 通过同一 DIF标准 具有不同内部产品数据格式描述的工具亦可使用 转换器生成中性产品信息 并与其他工具或资源库交换产品 信息 3 分布式产品模型数据库 分布式产品模型数据库提供一个基于WEB技术分布式 资源库 为开发项目提供可重用的工具 信息资源和通用的 支撑平台 它提供目录结构 浏览器 搜索引擎使用户可快 速查找所需资源 采用通用元数据格式 支持用户透明的 WEB 获取能力 分布式产品数据模型定义了一个以产品为 中心的 包含各相关信息的分布式信息集合体 如产品数据 工作流 人员 权限 资源 设计信息等 通过WEB技术 相互被连接在一起 给用户在逻辑上一个一致的产品表示 提供一个公共产品模型 当分布式产品数据模型与适当的自 动化支持工具和有效的工作流模型结合在一起时 支持集成 化产品过程开发 IPPD 通过给所有的集成化产品团队 IPT 成员提供一个公共的产品对象和不同的产品视图 允许地理位置分布的 多组织 IPT成员从各自功能学科领域 的角度并发地对当前产品配置进行评估 从而支持产品的并 行设计 第 13卷第 1期 熊光楞等 虚拟样机技术 • 117 • 5 虚拟样机技术的应用 近年来 虚拟样机技术及其应用已经获得重大进展 已 经具备处理日益复杂的工程问题的能力 被广泛地应用在汽 车制造业 工程机械 航天航空业 国防工业及通用机械制 造业等不同领域中 世界著名的制造公司在生产开发过程中 广泛地应用虚拟样机技术 波音飞机公司 777飞机的设计就 是采用虚拟开发技术的典型实例 开发周期从通常的 8年减 少到 5 年 设计 装机 测试均是在计算机中模拟完成 初 步做到无纸设计 保证了一次试制成功 其它如在克莱斯勒 公司 已常采用虚拟产品建模 在福特汽车公司 虚拟分析 样机已很普遍 Motorola 也正在研究和利用虚拟样机技术进 行 21 世纪商业和 DoD 的军用移动分布式无线全球通讯系统 和网络技术的研制 以减低开发设计的风险和成本 虚拟样 机技术改变了传统的设计思想 对制造业产生了深远的影响 6 小结 虚拟样机技术是一门新兴的技术 它有着广阔的发展 前景及市场 它面向系统的全生命周期和全系统 使研究 开发研制和使用者之间的联系更为有效 加速了新技术向产 品转化的开发 研制与使用过程 并通过全生命周期协同利 用强健的仿真技术来降低技术风险 提高产品质量 缩短研 制周期 降低成本 增强企业竞争力 在我国 虚拟样机技 术正在引起重视 通过深入研究虚拟样机的关键技术 进一 步探讨虚拟样机的有效开发模式 尤其是开发过程所涉及的 各类活动的协调 管理和优化策略 必将促进这一先进制造 技术的推广应用 增强我国企业的产品开发能力 提高我国 企业在世界制造业中的地位 参考文献: [1] 熊光楞, 王昕. 产品制造中的建模和仿真 [J]. 系统仿真学报 1999, 11(5): 337-340. 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Transactions, 1998, no 1. 上接第97页 表 2 数量属性所取的语言值以及相应的正态模糊集参数 煤耗 交通密度 SO2浓度 很低 0.39,0.568 很小 10.97,18.15 很低 0.0258,0.0111 低 0.776,0.628 小 18.93,14.85 低 0.0447,0.0098 适中 1.162,0.841 一般 26.9,15.45 一般 0.0635,0.0116 高 1.547,1.123 大 34.87,19.59 高 0.0823,0.0153 很高 1.933,1.434 很大 42.83,25.6 很高 0.1012,0.02 表 3 给定最小支持率 0 . 06 最小信任度 0 . 3 4 1 2 规则 ijk 支持率 S 信任度 C 111 0.209 0.452 121 0.147 0.378 211 0.099 0.37 354 0.061 0.342 444 0.07 0.387 454 0.079 0.421 544 0.074 0.404 554 0.082 0.434 3 结论 文中从两个方面软化文献[1]提出的挖掘关联规则的方 法 一方面通过用闭区间数来替代一个具体的数值 从而使 记录在数量属性上的取值得到软化 另一方面通过用定义在 数量属性论域上的模糊集来替代对属性论域的划分 从而使 划分的边界得到软化 在此基础上 文中提出了区间值数据 库的模糊关联规则的概念以及挖掘规则的方法 文中的挖掘 方法能挖掘出更多的关联规则 同时最终得到的规则更贴近 人的模糊思维方式 参考文献 [1] Srikant R, Agrawal R. Mining quantitative association rules in large relational tables [A]. Proceedings of the ACM SIGMOD International Conference on the Management of Data[C]. 1996. [2] Agrawal R, Imielinske T, Swami A. Mining association rules between sets of items in large databases [A]. 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