虛擬仿真解決方案

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虛擬仿真解決方案范文第1篇

交通仿真是智能交通領域的重要分支,它是利用最先進的計算機技術,通過仿真模擬的方法來分析交通問題,輔助交通管理人員做決策。傳統上,數學推導、科學實驗是進行科學研究、解決科學問題的主要方法。對于交通問題來說,由于參與交通的人很多,影響交通出行的因素也很多,人們很難、甚至無法對交通問題建立精確的數學模型。同時,由于安全、法規,以及開銷方面的原因,進行現場交通實驗通常也是不可行的。而交通仿真恰恰能夠有效地解決上述兩個方面的困難。

然而,傳統的交通仿真由于設計理念上的原因,并不能從根本上有效地解決交通問題。這是因為,交通系統是一個龐大的復雜系統,必須用對付復雜系統的方法來處理,也就是要用綜合的方法,而不是還原分解的方法來處理。

城市交通系統是一個典型的復雜系統:

1)城市交通系統是由經濟、環境、人口等因素綜合作用的結果,必須全面綜合地考慮城市交通和這些系統之間的關系。例如,不能為例城市交通問題的解決,而導致城市生態惡化,危害人居環境;不能為了城市交通的暢通,阻礙城市社會經濟活動的健康發展。我們必須在已有工作的基礎上,突破傳統思維,探索研究此類復雜系統的新途徑,而基于人工系統的研究方法正是這種有效途徑之一。

2)城市交通問題不存在“一勞永逸”的解決方案。城市交通系統涉及人與社會的動態變化,本身也在不斷變化和發展之中,不可避免地需要一個不斷深化地認識過程,這類系統實際上不存在精確完備的整體解析模型。因此,無法“一勞永逸”地解決城市交通問題,我們需要基于“不斷探索和改善”的原則,研究建立有效可行的計算實驗方法體系,為不斷地完善城市交通系統的綜合可持續發展方案提供科學依據。

3)城市交通問題不存在一般意義下的最優解,更不存在唯一的最優解。首先,基于解析模型的最優解與假設條件直接相關,具有條件敏感性,但對于城市交通這樣的問題,假設條件與實際情況往往存在很大差別。其次,解決這些問題一般不存在單一的優化指標,而多層次多目標優化往往導致多個甚至無數個解決方案,就連采用近似模型的多目標優化也是如此。再者,對于這類復雜系統,有時甚至連確定一個量化的綜合優化指標也有困難,特別是由于復雜系統長期行為的不可預測性,試圖求解其某一最優化解決方案本身就是不可行的。因此,我們應當接受有效解決方案的概念,而且還要接受一般情況下存在多個有效解決方案的事實。在這種情況下,我們應該利用平行系統方法,追求具有動態適應能力的有效解決方案。

基于以上分析,中國科學研自動化所王飛躍研究員提出了人工交通系統的概念。其基本思想是利用人工社會的理論與方法,把交通仿真推向更高的層次、獲得更廣的視野。它利用基于的建模、面向對象的編程和并行分布式計算等方法和技術,“生長”和“培育”交通系統,即“人工交通系統”。

利用人工交通系統解決問題的思路跟改革開放摸著石頭過河差不多,不斷探索和改善,使過程、方法更科學化、系統化、綜合化,不斷改善探索建立城市交通、物流、生態綜合發展的理論和方法體系。

人工交通系統有三個核心組成部分:

一是根據人工社會的原理思想,建立一個來源于現實交通系統又超越現實交通系統的虛擬交通世界;

二是計算實驗方法,即在上述的虛擬交通世界里進行可重復的實驗,不但可以復原已有的交通擁堵、事故的成因,而且能夠預先運行解決方案,從而選擇最優的擁堵解決方法和突發事件的緊急預案;

三是平行管理運行,虛擬交通系統與實際交通系統相結合,直接采集現實交通數據,進行超前運算,以判斷可能發生的交通事件,提前采取預防措施,為交通的高效暢通提供保障。

人工交通系統具有以下特點:

1)在宏觀認識上,人工交通系統不是單純的討論交通自身的問題。相反,人工交通系統將交通看作社會整體的一個子系統,與經濟、人口、環境、氣候等子系統具有平等的地位,并將各個子系統之間的相互銜接、相互聯系、相互作用和相互影響作為研究的重點之一。

2)在仿真方法上,人工交通系統屬于微觀仿真的范疇,但是不局限于研究局部的交通問題。人工交通系統面向大區域的仿真研究,采用復雜性科學中“涌現”的原理,在底層建立單個交通出行元素的模型,通過大交通區域內單個模型之間的相互作用,“涌現”出宏觀的交通現象。

3)在實現手段上,人工交通系統不能在單一、孤立的計算機上進行仿真,要使人工交通系統具備真實交通系統的分散性和社會性,必須采用先進的分布式計算方法,如網格和P2P等,在互聯網上建立結構化、分散化的虛擬交通路網系統,并且通過終端界面將網絡中的真實人吸引到人工交通系統的運行中來,以使每一個模型具有逼近現實的社會屬性。

4)在仿真目的上,人工交通系統不是一味的追求逼近現實交通環境和狀態。除此之外,人工交通系統可以通過調整參數、添加隨機事件等方法產生現實交通系統可能但尚未發生的交通現象,用以制定突發事故的緊急預案、交通控制方案的預評估以及交通參與人員的培訓等等。

虛擬仿真解決方案范文第2篇

【關鍵詞】虛擬現實;虛擬教學系統;建模

一、引言

虛擬現實技術（VR）是一門快速崛起的新型技術，它的出現對教育產生了深遠的影響，改變了以往的一些教學觀念和教學模式，開拓了現行教學手段的發展空間，為教學的創新提供了廣闊的空間[1]。使我們教學工作和科研可以遵循“低成本、高性能”的原則，從軟件、硬件上展開，逐步實現教學系統的動態環境建模技術、實時三維圖形生成和顯示技術以及三維交互系統的研制。

二、虛擬現實技術應用于教學科研的實現方法

首先利用現有的軟硬件、網絡環境和教學資源，包括各種相關技術專家和開發人員。本著自主研發和合作相結合的方向，完成各類醫學和生物學教學場景虛擬實現和模型建立，從而完成相應的模型數據庫的建設，根據不同的教學目標、科研方向和需求，逐步完善各學科教學課件的整合工作，包括醫學診治方案和試驗場景再現的制作和標準化工作[2]。以期達到最佳的教學效果和目的。醫學與其它學科不同，針對的對像是復雜的人體。因此其操作回饋，除去視覺之外，目前還沒有太好的解決方案。即使在國外，亦沒有多少可以借鑒的案例，要摸索的東西多。針對這些問題，最好的解決的方案是立足現有條件，從實際使用的可能性出發，制作不必求全求大，針對教學中的問題，用VR系統實現作精、作透。對于能夠模擬的，盡量模擬，無法模擬的，則想辦法模仿。虛擬教學系統應遵循合理整合現有軟硬件資源，本著實用性，高效性，前瞻性的原則進行開發和研究。

1.利用虛擬現實技術，對學生進行技能訓練。

虛擬現實的沉浸性和交互性，使學生能夠在虛擬的學習環境中扮演一個角色，并全身心地投入到該學習環境中去，以達到動作技能類教學目標要求。利用虛擬現實技術，可以做各種各樣的技能訓練，如手術仿真，影像系統仿真，電子病歷模擬等各種職業技能的訓練[3]。學生可以反復練習，直至掌握操作技能為止。如學生利用虛擬教學系統做實驗，先閱讀實驗指導書的實驗說明和操作步驟，然后觀察虛擬教學系統中的演示實驗，再與模擬實驗的多媒體課件進行交互“操作”，控制實驗條件，采集實驗數據，論證實驗原理和規律，寫出實驗報告，分析實驗結果。學生在實驗過程中或實驗結束后，隨時可以由網上老師或計算機智能系統進行跟蹤與糾錯。

2.借助網絡的虛擬化實現輔助教學。

隨著虛擬現實技術以及網絡技術的日益發展，借助于網絡的虛擬化進行輔助教學，將是未來教育占據主導地位的一種全新教學方法、方式。建構主義主張學習情境和實際情境相結合，因為實際情境具有豐富性和生動性等特點，這對于學生高級認知能力的發展有促進作用。然而計算機教學的內容，特別是實踐教學因場所等限制不是每時每刻都可以進行，它有空間和時間等因素的限制。而虛擬現實技術可以打破時空的限制，為學生提供一種可在課堂和實驗室中就能找到的虛擬實現，還可以再現特定的環境。

3.構建虛擬現實的教學平臺。

本研究結合虛擬現實和互聯網技術，利用計算機教研室現有600臺微機和6臺服務器、創建.NET平臺，在B/S架構上逐步開發出適合進行智能型的、交互式、分布式、圖文并茂的教學軟件，并通過互聯網傳輸逼真的教學和學習環境。

4.虛擬現實技術在遠程教學中的應用

在遠程教學中，往往會因為實驗設備、實驗場地、教學經費等方面的原因，而使一些應該開設的教學實驗無法進行[4]。利用虛擬現實系統，可以彌補這些方面的不足，學生足不出戶便可以做各種各樣的實驗，獲得與真實實驗一樣的體會，從而豐富感性認識，加深對教學內容的理解。

圖1 模塊框架

三、虛擬教學系統實現的重點和難點

虛擬現實應用于教學中具有“減少實驗經費開銷”、“突破時空限制”等優點。在此基礎上比較當前實現虛擬現實的幾種解決方案，本項目并最終選擇基于Flex的虛擬現實技術這一解決方案：利用3DS MAX進行建模、通過MXML+Action Script語言實現旋轉、放縮等，并對該解決方案中的技術特性、方案可行性及應用于教學中的優勢進行剖析;最后，借助軟件工程的開發思想（準備階段、分析階段、設計階段、開發階段和實施階段），設計出一個虛擬教學系統，并結合結構學的應用案例對該系統的部分功能進行開發，為虛擬教學系統建設提供一個新的開發途徑和模式[5]。如對研究實體，通過3D MAX完成場景建模，再由VRML創建的三維虛擬現實場景，使學生通過網絡就可以直接瀏覽并交互。模塊框架如圖1所示。

具體技術路線為：

1.在.NET環境和B/S架構上建立教學虛擬現實系統平臺。

2.從計算機虛擬教學課件著手，到逐步實現不同學科的虛擬實現的過度。其中包括國家精品課程教學課件的聲、圖和影像的多維虛擬實現（其中包括醫學影像，電子病歷，LIS，HIS，RIS等。

3.逐步實現臨床診療（虛擬手術，仿真影響神經元信號傳導的因素等）的網絡虛擬教學和遠程仿真實現。

4.整合人工智能、仿真技術、圖形技術、顯示技術、傳感技術、網絡等多種技術于一體[6]。通過硬件設備，計算機和網絡技術的運用，實現聽覺、視覺、嗅覺等多維信息通道獲取信息的高級用戶界面，從而為數字化教學的構想提供保證，填補一些國內在虛擬教學領域的空白，培養教研室科研隊伍。

四、小結

虛擬現實技術是本世紀發展的重要技術之一，并發揮神奇的作用，二十一世紀將是虛擬現實技術的時代。而借助于虛擬現實技術，創建一個與現實社會逼真的虛擬學習環境，在這個學習環境中，知識以可視化的方式呈現，學習者可以進行自主學習，以自然的方式與學習內容交互，就是本研究的目的。

參考文獻

[1]湯躍明.虛擬現實技術在教育中的應用[M].北京：科學出版社，2007：13-15.

[2]任建.從教學媒體的演變看教學設計的發展歷史[J].電化教育研究，2012（8）：12.

[3]林利，李春梅，劉暢.基于計算機虛擬技術構建臨床診療實踐教學輔助手段探析[J].中國社會醫學雜志，2011，28（3）：169-170.

[4]胡萬祥.多媒體輔助教學中的虛擬現實技術[J].才智，2013（14）：38.

[5]曾祥翊.從國際學者對話透視教育技術發展[J].電化教育研究，2011（8）：9-15.

[6]那一沙.教學設計研究綜述[J].西南交通大學學報，2013（3）：24.

虛擬仿真解決方案范文第3篇

ANSYS大中華區總經理孫志偉先生在會開幕詞中提到：2015年中國經濟下滑，但ANSYS卻在中國逆勢取得令人驕傲的業績，這與ANSYS密切關注中國經濟轉型有關；在國家提出“中國制造2025”的背景下，ANSYS中國在2015年招募17家合作伙伴為客戶提供服務，開發出200多個解決方案，以實際行動有力支持用戶仿真業務的發展；ANSYS 17.0大規模地引入并行計算從而大幅提升計算效率，并將結構和流體分析納入系統仿真之中以增強多物理場耦合解決方案，再結合優質的服務和支持，ANSYS必將為中國用戶的產品創新甚至轉型作出卓越貢獻.

會上，ANSYS全球副總裁Robert A Kocis先生和ANSYS中國區經理丁海強先生介紹了ANSYS 17.0的新特性；工信部賽迪智庫安琳博士和eworks總編黃培博士分別介紹了智能制造背景下的軟件政策發展趨勢和“中國制造2025”戰略下的仿真行業發展趨勢.

2013年12月15.0，2015年1月16.0，2016年1月17.0……ANSYS公司幾乎每年都會為行業帶來驚喜――最新推出的ANSYS 17.0為用戶提供系統工程框架與仿真平臺，在仿真的功能和效率方面以及設計流程和效率方面有非常多的重要改進，將使產品開發的生產力、洞察力和性能提升10倍.

1）流體仿真

實現更加流暢的新界面，而且在前處理過程中網格劃分速度更快.

打破之前的仿真世界紀錄，可以支持12.9萬個核的并行求解.

FLUENT并行計算效率更高.解決case讀取和大數量CPU并行創建時的運行瓶頸；優化通信；在大規模和小規模計算上并行擴展性均有提升.

收斂性得到提高.在FLUENT中，對代數多重網格求解器的設置進行更改以提高其在典型工程應用工況下的收斂性和魯棒性；守恒粗化方法已成為基于壓力的耦合求解器的默認設置.

優化效率大幅提升.利用伴隨求導技術支持可壓流分析可以得到快速的優化和結果.

TurboBladeRow模型仍然是CFX改進的主攻方向.時間變換和傅里葉變換均可使用；提供一種高效的同時考慮傳熱的瞬態仿真方法；改進了混合面；可在計算中進行圓柱坐標系下的周期流動監視；可以基于頻域方法進行諧振分析.

2）結構仿真

全面實現分布式并行求解，取代共享內存求解，CPU利用率更高.改進整個工作流程和求解方法，讓工程師研究更多的設計參數和工況，從而實現更出色的產品.支持分布式計算和超過1 000個靜態和瞬態結構仿真，從而呈現無與倫比的加速性能.

3）電路板可靠性仿真

采用新的方法快速映射PCB物理結構，使其用于熱、結構強度/振動和跌落等虛擬試驗，節省大量工程時間，提升仿真精度.

4）電子設計

實現在ANSYS電子設計桌面系統下版圖驅動的非可視組裝和整體驗證.

實現PO/IE/FEM混合求解.

瞬態電磁場仿真中的時間分解法專利技術讓工程師把不同時間節點的結構分布到單臺電腦的多核上，甚至在私有云上進行求解，從而使仿真速度提升10倍.

收購EMIT公司以支持系統級射頻干擾分析.EMIT還可以與電大載體天線布局仿真工具Savant結合在一起.

5）芯片仿真方面

全新自動化熱分析和集成型結構分析功能，可帶來穩健可靠、高效的耦合芯片感知和系統感知型解決方案，從而使芯片封裝系統工作流程的生產力提升10倍.

可以快速生成芯片的功耗模型，同時支持分布式并行處理技術，使得大規模的芯片計算速度提升10倍以上.

6）系統仿真技術方面

能夠比以往更快地在Simplorer中創建和裝配模型，從而滿足完整系統仿真的需求――結構仿真軟件與系統仿真軟件的直接連接可以大大提高結構和系統仿真的效率.例如，Simplorer已完全集成于電子設計桌面系統，可優化降階模型生成的工作流程.

與Modelon達成合作伙伴關系，支持行業標準系統建模語言Modelica.

擁有全面完備的機電系統仿真功能，系統驗證的工作效率提升10倍.

7）嵌入式軟件方面

ANSYS SCADE基于模型的嵌入式軟件開發與仿真環境增加專門針對航空電子、汽車和鐵路運輸的最新解決方案，所支持的行業專用應用數量增加10倍.

8）SpaceClaim

ANSYS SpaceClaim直接建模工具不僅實現10倍性能提升，還提供用于加速幾何模型創建和編輯的更多工具，同時擴展文件導入和編輯功能.

9）AIM

AIM提供完整的解決方案，在統一的易用型環境中可完成幾何模型創建、優化到結果的所有步驟.借助AIM，用戶可以更多地開發模板和仿真流程，供大多數工程師使用，從而大大地改善CAE軟件的可用性和易用性.有了AIM的幫助，資深工程師可以研究更前沿的問題，更好地建模，或者更好地研究摩擦、材料特性等，其他的設計工程師則可以利用開發出的模板快速地優化設計參數，使得整體設計效率得到顯著提升.因此，AIM在未來將形成一個全新的CAE生態環境.

10）工程知識管理系統EKM

虛擬仿真解決方案范文第4篇

關鍵詞：室內裝飾 仿真 FLASH Unity3D

中圖分類號：TU7 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）03（c）-00-02

近年來，房地產行業持續升溫，與其密切相關的室內裝飾行業也受到了帶動，人才需求不斷增加。在這樣的背景下，很多學校都根據市場需求開設了室內裝飾專業，以培養更多專業人才輸送給市場。在教學執行過程中，最讓教師頭痛的是如何提高學生對施工現場的感性認識。

由于安全、管理、交通等問題，讓學生親臨施工工地學習存在很大的執行難度。與室內裝飾設計情況類似，建筑施工專業同樣遇到工地現場教學的困難，而較為普遍的解決方法就是采用數字仿真進行教學。通過數字仿真，學生可以對工地現場有更深入的了解，而且可以親自動手進行仿真操作，學習積極性得到了提高。

然而，市場上大部分仿真系統都是針對建筑施工專業的，專門針對室內裝飾的仿真系統基本還是一片空白，有見及此，筆者作為專業教師就這方面進行了深入探討及實踐，希望開發出適合室內裝飾專業教學的仿真系統。

從室內裝飾執行流程上看，施工現場主要涉及尺寸度量、定位、施工、驗收等幾大環節，作為數字仿真系統的探索性開發，筆者選擇了毛坯房尺寸度量作為主題，這主要是因為尺寸度量有一定的互動性，動作重復性較高，研發工作量適中。

把毛坯房尺寸度量作為開發主題后，下一步就是圍繞主題擬定開發要求。作為仿真系統的開發，首先必須關注其仿真度，如果不能讓學生產生身臨其境的感受，就失去了開發的意義。第二，要具備良好的交互性。

由于毛坯房尺寸度量是一個全屋游走的過程，因此仿真課程必須支持實時漫游，且必須支持人機交互。第三，仿真系統能夠支持度量空間的持續更新，讓學生可以不斷接觸不同空間的尺寸度量過程。第四，具備擴展功能，如果不能支持持續的修改，系統很快就失去使用價值，最終被淘汰。第五，從仿真系統的推廣來看，要安裝方便，盡量做到直接復制使用，如果能支持在線使用更好。第六，要有良好的教學設計，操作簡單明了。

明確了開發要求后，下一步就是根據要求挑選研發工具。挑選過程中，筆者對不同軟件進行了深入了解及對比，還選擇部分軟件制作了案例，具體情況如下。

1 圓方室內裝飾設計系統

圓方是專門針對室內裝飾設計而開發的以CAD為基礎的系統，其優點是空間構建方便并內置了大量家具模型，可以輕松制作漫游動畫，效果真實。可惜圓方在漫游過程中不能進行尺寸度量，且漫游只限于動畫，不支持實時漫游，因此并不適合作為尺寸度量仿真系統的開發工具。

2 草圖大師

草圖大師（SketchUp）具備優越的平面圖向立體空間轉換的性能，且能輕松導入各種家具模型，空間構建便捷。草圖大師支持立體空間下的尺寸度量，遺憾的是，其只支持固定路徑漫游，且只能在預先設定的點進行停留并以固定角度觀察，雖然可作為一種解決方案考慮，但并沒有從根本上解決漫游及尺寸度量的問題，且軟件所制作場景仿真度不高，故仍需尋求進一步的解決方案。

3 FLASH

FLASH是網絡上盛行的矢量動畫制作軟件，由于支持程序腳本嵌入，固其拓展性較強，可根據使用者的需要提供不同的解決方案。

盡管作為二維矢量動畫開發工具而存在，但實際上FLASH可以通過加入腳本使其獲得三維展示能力，俗稱Papervision3 d（效果像使用紙板進行圍合）。

遺憾的是，網上可找到的資源一般僅限簡單的360全景瀏覽，即站在空間內部環視，不能移動也不能進行其他交互操作，雖然存在二次開發的可能，但需要具備FLASH專業編程能力，故此解決方案暫不具備執行性。

筆者根據FLASH的特點，擬定了其他的解決方案。簡單來說，就是在3 dSMAX等三維軟件中建立模型，把毛坯房各個區間的環視過程渲染成圖片序列并導入FLASH，再通過圖片序列播放模擬360全景瀏覽效果，由于每個視覺實際上只是一幅靜態圖片，所以可以在圖片中放置一些預制度量點，這些預制點嵌入了尺寸度量的腳本，并包含了點的三維坐標，度量時，只要依次點擊不同的度量點，就可以獲得所需要的尺寸。

相對于Papervision3 d，此解決方案中的腳本編寫難度要低得多，且度量預制點間的腳本是一致的，無需逐一編寫。這樣一來，研發人員實際上只需在圖片中相應位置放置預制點并輸入對應的三維坐標，即可獲得尺寸度量功能（圖1）。

雖然這樣解決了尺寸度量及仿真效果的問題，但其缺點也是顯而易見的。

首先，由于圖片序列只涉及單個空間的環視過程，不涉及空間的過渡，所以毛坯房區間之間只能進行跳轉，不能實現真正的漫游。其次，制作一套空間需要渲染大量圖片，以一個兩房一廳的毛坯房為例，加上廚衛合共5個區間，為了實現平滑過渡，對于某一區間的環視效果，一般每10度渲染一幅圖片，即一個空間需要渲染36幅圖，一套毛坯房需要渲染180幅圖，如果這些圖片都要求達到高仿真度的話，那么單是進行圖片渲染就需要耗費大量時間了。另外，整個仿真系統需要放置大量預制度量點，其工作量也相當大。更糟糕的是，一旦需要更換度量空間，以上工作都要重新執行，這樣系統的持續開發及實用性就大大降低了。

盡管工作量大，但使用圖片序列導入FLASH進行毛坯房尺寸度量仿真系統開發的確能在一定程度上解決漫游、實時尺寸度量、高仿真等問題，且便于通過網絡進行推廣，故仍可作為保留方案進行考慮。

虛擬仿真解決方案范文第5篇

【關鍵詞】數字化工廠工藝規劃仿真優化

中圖分類號：S220文獻標識碼： A

1引言

圍繞激烈的市場競爭，制造企業已經意識到他們正面臨著巨大的時間、成本、質量、產品差異化等壓力。如何快速適應市場的變化，實現從“以產定銷”到“按訂單生產”模式轉變？數字化工廠提供了較為理想的解決方案。

2 數字化工廠概述

數字化工廠是BIM(建筑信息模型)技術、現代數字制造技術與計算機仿真技術相結合的產物，同時具有其鮮明的特征。

2.1數字化工廠

2.1.1數字化工廠的概念

數字化工廠是以產品全生命周期的相關數據為基礎，根據虛擬制造原理，在虛擬環境中，對整個生產過程進行仿真、優化和重組的新的生產組織方式。它是在設計建造階段，建立全面、詳實的信息，包括材料、工藝、設備運行管理等全生命周期的信息檔案數據庫，利用BIM(建筑信息模型)技術指導建筑物、構筑物及設備的科學使用和維護，為信息化、標準化管理提供數據基礎平臺，加上CAD、EEP、MEP等應用管理系統，實現工廠控制系統內部數字化信息的有效傳遞，既鏈接了生產過程的各個環節，又與企業經營管理相互聯系，進而把整個企業數字化的資金信息、物流信息、生產裝置狀態信息、生產效率信息、生產能力信息、市場信息、采購信息以及企業所必須的控制目標都實時、準確、全面、系統地提供給決策者和管理者，幫助企業決策者和管理者提高決策的實時性和準確性以及管理者的效率，從而實現管理和控制數字化、一體化的目標。

2.1.2數字化工廠的優勢

數字化工廠利用其工廠布局、工藝規劃和仿真優化等功能手段，改變了傳統工業生產的理念，給現代化工業帶來了新的技術革命，其優勢作用較為明顯。

預規劃和靈活性生產：利用數字化工廠技術，整個企業在設計之初就可以對工廠布局、產品生產水平與能力等進行預規劃，幫助企業進行評估與檢驗。同時，數字化工廠技術的應用使得工廠設計不再是各部門單一地流水作業，各部門成為一個緊密聯系的有機整體，有助于工廠建設過程中的靈活協調與并行處理。此外，在工廠生產過程中能夠最大程度地關聯產業鏈上的各節點，增強生產、物流、管理過程中的靈活性和自動化水平。

縮短產品上市時間、提高產品競爭力：數字化工廠能夠根據市場需求的變化，快速、方便地對新產品進行虛擬化仿真設計，加快了新產品設計成形的進度。同時，通過對新產品的生產工藝、生產過程進行模擬仿真與優化，保證了新產品生產過程的順利性與產品質量的可靠性，加快了產品的上市時間，在企業間的競爭中占得先機。

節約資源、降低成本、提高資金效益：通過數字化工廠技術方便地進行產品的虛擬設計與驗證，最大程度地降低了物理原型的生產與更改，從而有效地減少資源浪費、降低產品開發成本。同時，充分利用現有的數據資料（客戶需求、生產原料、設備狀況等）進行生產仿真與預測，對生產過程進行預先判斷與決策，從而提高生產收益與資金使用效益。

提升產品質量水平：利用數字化工廠技術，能夠對產品設計、產品原料、生產過程等進行嚴格把關與統籌安排，降低設計與生產制造之間的不確定性，從而提高產品數據的統一性，方便地進行質量規劃，提升質量水平。

2.2數字化工廠的差異性

“數字化工廠”貫穿整個工藝設計、規劃、驗證、直至車間生產工藝整個制造過程，在實施過程需要注意系統集成方面的問題，“數字化工廠”不是一個獨立的系統，規劃時，需要與設計部門的CAD/PDM系統進行數據交換，并對設計產品進行可制造性驗證（工藝評審），同時，所有規劃還需要考慮工廠資源情況。所以，“數字化工廠”與設計系統CAD/PDM和企業資源管理系統ERP的集成是必須的。同時，“數字化工廠”還有必要把企業已有的規劃“知識”（如工時卡、焊接規范等）集成起來，整個集成的底部是PLM構架。

同時，類似于PDM系統和ERP系統，每個企業都有自己的流程和規范，考慮到很多人都在一個環境中協同工作（工藝工程師、設計工程師、零件和工具制造者、外包商、供應商以及生產工程師等），隨時會創建大量的數據，所以，“數字化工廠”規劃系統也存在客戶化定制的要求，如操作界面、流程規范、輸出等，主要是便于使用和存取等。

3 數字化工廠的實現與應用

數字化工廠以突出的功能優點，在工業生產，尤其是制造業生產中具有廣泛的應用，但其實現過程也涉及多種關鍵技術。

3.1數字化工廠的關鍵技術

數字化工廠涉及的關鍵技術主要有：數字化建模技術、虛擬現實技術、優化仿真技術、應用生產技術。

數字化建模技術：數字化工廠是建立在數字化模型基礎上的虛擬仿真系統，輸入數字化工廠的各種制造資源、工藝數據、CAD數據等要求建立離散化數學模型，才能在數字化工廠軟件系統內進行各種數字仿真與分析。數字化模型的準確性關系到對實際系統真實反映的精度，對于后續的產品設計、工藝設計以及生產過程的模擬仿真具有較大的影響。因此，數字化建模技術作為數字化工廠的技術基礎，其作用十分關鍵

虛擬現實技術：虛擬現實技術能夠提供一種具有沉浸性、交互性和構想性的多維信息空間，方便實現人機交互，使用戶能身臨其境地感受開發的產品，具有很好地直觀性，在數字化工廠中具有廣泛的應用前景。虛擬技術的實現水平，很大程度上影響著數字化工廠系統的可操作性，同時也影響著用戶對產品設計以及生產過程判斷的正確性。

優化仿真技術：優化仿真技術是數字化工廠的價值所在，根據建立的數字化模型與仿真系統給出的仿真結果及其各種預測數據，分析虛擬生產過程中的可能存在的各種問題和潛在的優化方案等，進而優化生產過程、提高生產的可靠性與產品質量，最終提高企業的效益。由此可見，優化仿真技術水平對于能否最大限度地發揮企業效益、提升企業競爭力具有十分重要的作用，其優化技術的自動化、智能化水平尤為關鍵。

應用生產技術：數字化工廠通過建模仿真提供一整套較為完善的產品設計、工藝開發與生產流程，但是作為生產自動化的需要，數字化工廠系統要求能夠提供各種可以直接應用于實際生產的設備控制程序以及各種是生產需要的工序、報表文件等。各種友好、優良的應用接口，能夠加快數字化設計向實際生產應用的轉化進程。

3.2常見數字化工廠軟件

由于數字化工廠技術在工業生產過程中的優越性，各知名企業競相開發各種數字化工廠軟件，其中較為常見、應用最為廣泛的數字化工廠軟件主要有eM-Power和Demia等。

eM-Power是由美國的Tecnomatix技術公司開發的數字化工廠軟件，它在工業生產中應用十分廣泛。該軟件架構是建立在Oracle數據庫之上的三層結構，它為企業用戶提供零件制造解決方案、裝配規劃、工廠及生產線設計和優化、產品質量和人員績效等主要功能。這些主要的功能模塊建立在統一的數據庫eM_Server中，實現整個生產制造過程的信息共享。2007年以來，西門子公司在收購了UGS（UGS于2004年收購了Tecnomatix）的基礎上，推出了功能更為強大的Teamcenter 8和Tecnomatix 9，提供工廠設計及優化、制造工藝管理、裝配規劃與驗證、開發、仿真和調試自動的制造過程和質量管理等功能，在各大企業具有廣泛應用。

Delmia是由法國的Dassault公司開發的數字化工廠解決方案，該解決方案是構建在Dassault公司的PLM結構的頂層，由其專用數據庫（PPR-Hub）統一管理。Delmia的體系結構主要包括：面向制造過程設計的（DPE）、面向物流過程分析的（QUEST）、面向裝配過程分析的（DPM）、面向人機分析的（Human）、面向虛擬現實仿真的（Envision）、面向機器人仿真的（Robotics）、面向虛擬數控加工方針的（VNC）、面向系統數據集成的（PPR Navigato）等。它主要由面向數字化工藝規劃模塊、數字化仿真平臺工具集以及車間現場制造執行系統的集成模塊等組成。

3.3數字化工廠的應用

數字化工廠是信息化技術發展過程中出現的一種新的企業組織形式，是促進企業現代化發展的新興技術，目前主要應用在汽車制造、航空航天等大型制造企業。

3.3.1數字化工廠技術在汽車行業的應用。

目前，數字化工廠技術在國內外汽車制造業中得到了廣泛應用。在國外，如通用汽車公司使用Tecnmatix eMPower的解決方案，大大縮短了通用公司從新產品設計、制造到投放市場的時間，同時提升了其產品質量。奧迪公司使用eM-Plant進行物流規劃仿真，如A3 Sportback項目。通過物流規劃仿真不僅使得整個生產物流供應鏈之間建立起了緊密有序的聯系，同時也方便對物流方案進行先期評估和可行性分析。在國內，如一汽大眾在車身主拼線工藝設計中采用數字化工廠技術，改善了車身焊接工藝，提高車身焊接質量。上海大眾在發動機設計和產品總裝領域采用數字化工廠技術，大幅提升了公司的制造技術和產品質量。目前，華晨金杯公司引進西門子的Tecnomatix軟件，對產品的總裝工藝進行數字化改造。

3.3.2數字化工廠技術在飛機制造業的應用。

在飛機制造業，數字化工廠技術的先進性也得到了充分體現。如美國的洛克希德馬丁公司在F35研制過程中，采用數字化工廠技術縮短了2/3的研制周期，降低了50%的研制成本，開創了航空數字化制造的先河。有如波音787飛機在研制過程中采用基于Delmia的數字化工廠技術，實現其產品的虛擬樣機。空客A380飛機采用虛擬裝配方案，實現整機的三維虛擬裝配仿真和驗證。不僅國外飛機制造企業在其產品的研制、生產過程中使用數字化工廠技術，國內的飛機制造企業也是如此。如上海飛機制造廠利用數字化工廠技術在三維環境中進行人工裝配操作的數字化模擬，提高了人工操作的標準化。而西安航空動力控制公司則采用Tecnomatix的數字化工廠軟件對其異型件生產線進行仿真和優化，進行技術改造探索。

3.3.3數字化工廠在鑄造行業的探索

共享鑄鋼團《數字化工廠示范工程》擬運用先進制造理念（如虛擬制造、智能制造、綠色制造、柔性制造等）和先進鑄造技術、方法，結合共享集團在鑄造行業內領先的制造、技術和管理經驗，全面融合先進信息化技術，建設數字化模樣生產線、數字化柔性造型生產線、智能化熔煉控制系統、智能體聯合控制的鑄件精整線、數字化在線檢測等綜合集成的數字化鑄造工廠，在“多品種、小批量、快捷”鑄造生產方面達到同行業領先水平，建成一座在鑄造行業領先的“數字化、柔性化、綠色、高效”鑄造工廠，集成并創造數字化鑄造新模式。

4結束語

隨著計算機技術、網絡技術的飛速發展，數字化工廠技術不斷與現代企業相結合，已成為提升企業競爭力的新動力。在當前企業發展的新形勢下，數字化工廠技術出現了新的趨勢。首先，現場總線技術在數字化工廠中的應用，提升數字化工廠的現場可操作性；其次，應用網絡技術，拓展數字化工廠網絡互聯能力；最后，數字化工廠的智能化發展，實現虛擬仿真與企業真實生產的無縫鏈接，打造真正的智能數字化工廠。

作者簡介

郭兆祥（1976-）男，碩士研究生，從事技術質量管理工作。

參考文獻.

[1]李險峰.DELMIA讓數字化工廠成為現實[J].CAD/CAM與制造業信息化，2006，(9)：48-50.