基于模型的可視化技術提升企業產品協同設計能力

丁來軍，丁 寧

(1.中航工業空空導彈研究院，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提升企業產品協同設計能力

丁來軍1，丁 寧2

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

為適應市場變化，國內外軍工企業逐步將MBD技術拓展到產品研制的管理領域，通過MBE模型，將產品研制過程中的設計、仿真、工藝、制造、維修和管理等不同專業領域的所有信息有機地組合在一起，對產品進行創新。然而，來自不同領域、不同專業的利益相關者使用的軟件不同，數據格式也各不相同，項目團隊迫切需要彼此能直觀地交互信息，產品研制數據變化能主動使項目團隊利益相關者感知產品性能的變化并能夠快速做出決策；因此，在現有企業信息化體系架構基礎上增加了全三維互動可視化功能。通過開發，使MBE模型技術與可視化技術相融合，將研發過程中的流程與數據關聯起來，通過全三維全屬性的沉浸式互動環境，使IPT團隊的每個人工作及行為都與研制過程實時關聯，把并行協同的設計理念轉變成可操作的工作流程，從而提升企業研制能力。

模型技術；可視化技術；協同創新

1 現狀

在當今全球緊密聯系且激烈競爭的環境中，企業需要快速推出更多具有創新性和高質量的產品，以應對日益加大的市場壓力。對于國防及軍工等大型設計生產企業，隨著市場環境的不斷變化，用戶對產品個性化需求更加強烈，對產品交付周期的要求越來越短，對產品質量及可靠性的要求越來越高。另外，在產品主價值鏈上，不同崗位的人員創造大量產品相關數據。這些數據來源于設計、仿真、工藝、制造、維修和管理等不同專業領域，數據格式各不相同，也千差萬別。在產品研制過程中，產品開發團隊(Integrated Product Team，IPT)的成員需要彼此交互信息，通過高級數據互動賦予數據意義，并直觀地呈現出豐富信息，使數據變得更容易被用戶理解，能夠快速做出重要決策。盡管這些決策的質量和速度對產品能否在市場上取得成功有著深遠影響，然而，每個決策的做出都可能要基于數量巨大且不斷增加的分散數字數據信息；因此，企業如何通過科技創新手段快速適應市場的變化，形成企業真正的持續核心競爭力，是諸多制造業企業所共同面臨的問題。

2 需求

2.1 模型技術

由于航空制造業研制手段從二維向全三維過渡，試驗和驗證從實物發展到虛擬仿真，研制技術從最初串行、同地域單點技術的應用向跨地域/跨企業的、多系統的數字化全生命周期的集成應用，研制的業務范圍由基于模型的產品定義(Model-Based Definition，MBD)(見圖1中粗線框內區域)拓展到詳細設計之前和生產制造之后，即圖1中粗線框外區域基于模型的企業(Model-Based Enterprise，MBE)。MBE技術是美國下一代制造技術之一，由愛荷華大學牽頭，由Rockwell Collins公司、波音公司和雷神導彈系統公司資助并在相關型號中應用。其宗旨是將最初以設計制造為主的業務管理體系，擴展到綜合管理、項目管理、需求管理、產品設計、產品仿真、產品制造、產品數據管理、生產管理和綜合保障等全生命周期的協同設計與管理，實現航空制造業務全過程中客戶需求、數據結構、配置功能和分析決策的全面結合。所以以模型為載體，在縱向上實現從市場需求、研制到維護保障的全生命周期業務的數字化；在橫向上實現研制過程中的技術、人、財、物、法、環全方位管理的信息化，從而形成對業務發展和管理決策的全面支撐。

基于模型的企業是基于產品3D定義的，目的是使企業從原理到退役處理的產品全生命周期的所有業務過程、技術方法和管理決策活動能夠快速、流暢和經濟地進行。產品研制過程中的設計、仿真、工藝、制造、維修和管理等不同專業領域的所有信息，通過MBE模型被有機地組合在一起(見圖2)。產品數字研制過程的實質是創建模型、添加屬性、數據傳遞和數據應用過程。將研發過程中的流程與數據串聯起來，使相關人員全面掌握產品的全生命周期信息，從而實現高效協作。

基于模型技術解決了復雜產品在研制過程中IPT團隊協調工作對產品定義問題，但沒有實現以最直觀的方式提供豐富的信息，讓團隊所有成員認知來自不同學科和不同領域的資料與任何一個個體所承擔職責的有用關聯數據。

圖1 MBD向MBE應用拓展表達

圖2 SIEMENS提供的MBE數據關聯關系

2.2 可視化技術

以圖形的方式觀察和認識客觀事物，是人類最便捷的認知方式。人們所感受的外界信息80%以上來自于視覺，圖形技術的重要影響由此可見一斑。在制造企業內部及企業之間，產品數據的交流是很重要的一個環節，傳統上一般采用紙質文件作為交流媒介。隨著計算機技術的發展，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，由于技術和應用方面的原因，多數研究集中在開發先進的圖形渲染技術，使用戶感受到接近真實的視覺效果(見圖3)；但是，在工程化應用過程中，如果一味地追求產品如何地“逼真”、如何地“炫”，這種華而不實的數據可視化形式無法達到IPT團隊協調設計和溝通的目的，也不是工程可視化的發展方向。工程可視化旨在借助于圖形化手段，將數據轉換為圖形或圖像，并在屏幕上顯示出來，通過互動方式，將MBE定義的產品屬性及相互關系，采用模型、圖表和曲線清晰有效地表達數據的變化，以及由于數據變化造成的直接影響，確保對工程質量、進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，把復雜工程問題簡單化，每個人看到一種設計方案都可以加入自己的意見，不論使用的是何種應用系統，也不需要IT技術人員幫助做數據轉換。工程可視化在這里已經變成產品決策、變更管理和流程批準的工具。設計人員在第一時間發現問題，解決問題，從而降低設計風險，把更多的時間留給設計與制造。

3 方案

目前，企業正在向著綜合性的協同設計制造體系的方向發展，其主要目的是打破傳統的各部門、各專業各自為戰的現象，加強橫向與縱向的溝通交流與協同，盡量在產品研發制造的全過程中充分考慮到多種因素的影響，以提高工作質量及效率，減少設計缺陷與返工，最終達到更高的產品質量，同時縮短研發制造周期并降低投入成本[1]。

3.1 系統組成部分

企業信息化應用架構分為兩大部分：一部分是企業產品模型；另一部分是全三維互動可視化部分。企業信息化體系架構如圖4所示。

圖4 企業信息化體系架構

3.2 軟件部分

軟件部分包括下述內容。

1)物理仿真。實現模型物理屬性的定義、編輯和取消，動態干涉檢查，模型行為約束，機構運動學，裝配自動捕獲等。

2)人機工效。對交互過程中對人體模型可操作性、可維護性進行檢驗，分析操作舒適性。

3)模型渲染。提供多種光源、貼圖材質及紋理特效。可實現高分辨率的靜態圖片、全高清的動態視頻等。

4)動畫編制。支持多個視頻軌及多種重復模式，可用于編輯復雜的動畫，生成相應的全高清3D視頻。

5)數據接口。用于與CAD軟件進行數據交換。

3.3 硬件部分

硬件部分包括網路環境、固定式沉浸展示環境、應用工作站及數據服務器、服務器集群控制與管理、數據資源管理、模型輕量化處理、大規模數據運算、立體影像渲染和數據使用終端計算機等。

4 應用

在企業現有模型應用環境中，在頂層構架了可視化系統，完善了企業信息化體系架構[2-3]。

基于MBE的可視化應用實例如圖5所示。企業的模型系統是SIEMENS系統的TC/PDM、TC/PM、NX/CAD、NX/CAE和NX/CAM等，實現了企業的產品模型、仿真模型、工藝模型、加工模型、維修模型和管理模型通過數據接口及時推送到可視化系統。

圖5 基于MBE的可視化應用實例

在整個產品研發過程中，客戶、供應商和設計部門能夠在跨學科、跨地域的情況下對產品設計準確理解，同時又能保證產品的功能性與可制造性、可維修性、可維護性，特別是產品研制與項目管理屬性相關，并以直觀、可視方式展示，從而實現基于網絡的及時協調，縮短產品的研發時間，降低設計風險；同時對產品研制的進度、成本做到項目可控。

5 結語

通過項目實施，解決了復雜產品研制過程中項目團隊內部設計、工藝、仿真、制造、檢測和管理等不同職能人員的及時有效溝通及決策，解決了對實物樣機和樣機試驗的過分依賴問題，實現了傳統產品設計、五性設計、工藝設計、檢驗設計和研制管理的不同領域、不同專業的數據關聯與展示。通過全三維全屬性的沉浸式互動環境，使IPT團隊的每個人工作及行為都與研制過程發生關系，并且及時地反應這種關系對產品研制的影響。工程可視化環境已經把并行協同的設計理念轉變成了可操作的工作流程，也改變了傳統串行的產品決策、變更管理和流程批準的工作模式。

[1] 李建強, 范玉順. 企業集成平臺技術研究[J]. 計算機科學, 2004, 31(1): 66-68.

[2] 丁曉陽, 丁來軍. 建設CAD/CAE數字設計/仿真平臺[J]. CAD/CAM與制造業信息化, 2006(8): 4-8.

[3] 曹虎，曲強，應小昆，等. 企業信息化綜述[J]. 新技術新工藝，2014(10)：52-55.

責任編輯鄭練

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，高級工程師，主要從事企業信息化、產品數字樣機技術、MBD/MBE技術應用、產品可視化技術和工藝流程信息化等方面的研究。

2015-04-07