基于模型的可视化技术提升企业产品协同设计能力

丁来军，丁 宁

(1.中航工业空空导弹研究院，河南 洛阳 471009；2.中航光电科技股份有限公司，河南 洛阳 471003)

基于模型的可视化技术提升企业产品协同设计能力

丁来军1，丁 宁2

(1.中航工业空空导弹研究院，河南 洛阳 471009；2.中航光电科技股份有限公司，河南 洛阳 471003)

为适应市场变化，国内外军工企业逐步将MBD技术拓展到产品研制的管理领域，通过MBE模型，将产品研制过程中的设计、仿真、工艺、制造、维修和管理等不同专业领域的所有信息有机地组合在一起，对产品进行创新。然而，来自不同领域、不同专业的利益相关者使用的软件不同，数据格式也各不相同，项目团队迫切需要彼此能直观地交互信息，产品研制数据变化能主动使项目团队利益相关者感知产品性能的变化并能够快速做出决策；因此，在现有企业信息化体系架构基础上增加了全三维互动可视化功能。通过开发，使MBE模型技术与可视化技术相融合，将研发过程中的流程与数据关联起来，通过全三维全属性的沉浸式互动环境，使IPT团队的每个人工作及行为都与研制过程实时关联，把并行协同的设计理念转变成可操作的工作流程，从而提升企业研制能力。

模型技术；可视化技术；协同创新

1 现状

在当今全球紧密联系且激烈竞争的环境中，企业需要快速推出更多具有创新性和高质量的产品，以应对日益加大的市场压力。对于国防及军工等大型设计生产企业，随着市场环境的不断变化，用户对产品个性化需求更加强烈，对产品交付周期的要求越来越短，对产品质量及可靠性的要求越来越高。另外，在产品主价值链上，不同岗位的人员创造大量产品相关数据。这些数据来源于设计、仿真、工艺、制造、维修和管理等不同专业领域，数据格式各不相同，也千差万别。在产品研制过程中，产品开发团队(Integrated Product Team，IPT)的成员需要彼此交互信息，通过高级数据互动赋予数据意义，并直观地呈现出丰富信息，使数据变得更容易被用户理解，能够快速做出重要决策。尽管这些决策的质量和速度对产品能否在市场上取得成功有着深远影响，然而，每个决策的做出都可能要基于数量巨大且不断增加的分散数字数据信息；因此，企业如何通过科技创新手段快速适应市场的变化，形成企业真正的持续核心竞争力，是诸多制造业企业所共同面临的问题。

2 需求

2.1 模型技术

由于航空制造业研制手段从二维向全三维过渡，试验和验证从实物发展到虚拟仿真，研制技术从最初串行、同地域单点技术的应用向跨地域/跨企业的、多系统的数字化全生命周期的集成应用，研制的业务范围由基于模型的产品定义(Model-Based Definition，MBD)(见图1中粗线框内区域)拓展到详细设计之前和生产制造之后，即图1中粗线框外区域基于模型的企业(Model-Based Enterprise，MBE)。MBE技术是美国下一代制造技术之一，由爱荷华大学牵头，由Rockwell Collins公司、波音公司和雷神导弹系统公司资助并在相关型号中应用。其宗旨是将最初以设计制造为主的业务管理体系，扩展到综合管理、项目管理、需求管理、产品设计、产品仿真、产品制造、产品数据管理、生产管理和综合保障等全生命周期的协同设计与管理，实现航空制造业务全过程中客户需求、数据结构、配置功能和分析决策的全面结合。所以以模型为载体，在纵向上实现从市场需求、研制到维护保障的全生命周期业务的数字化；在横向上实现研制过程中的技术、人、财、物、法、环全方位管理的信息化，从而形成对业务发展和管理决策的全面支撑。

基于模型的企业是基于产品3D定义的，目的是使企业从原理到退役处理的产品全生命周期的所有业务过程、技术方法和管理决策活动能够快速、流畅和经济地进行。产品研制过程中的设计、仿真、工艺、制造、维修和管理等不同专业领域的所有信息，通过MBE模型被有机地组合在一起(见图2)。产品数字研制过程的实质是创建模型、添加属性、数据传递和数据应用过程。将研发过程中的流程与数据串联起来，使相关人员全面掌握产品的全生命周期信息，从而实现高效协作。

基于模型技术解决了复杂产品在研制过程中IPT团队协调工作对产品定义问题，但没有实现以最直观的方式提供丰富的信息，让团队所有成员认知来自不同学科和不同领域的资料与任何一个个体所承担职责的有用关联数据。

图1 MBD向MBE应用拓展表达

图2 SIEMENS提供的MBE数据关联关系

2.2 可视化技术

以图形的方式观察和认识客观事物，是人类最便捷的认知方式。人们所感受的外界信息80%以上来自于视觉，图形技术的重要影响由此可见一斑。在制造企业内部及企业之间，产品数据的交流是很重要的一个环节，传统上一般采用纸质文件作为交流媒介。随着计算机技术的发展，电子图样和电子文件逐渐成为了一种重要的交流媒介。5年前，由于技术和应用方面的原因，多数研究集中在开发先进的图形渲染技术，使用户感受到接近真实的视觉效果(见图3)；但是，在工程化应用过程中，如果一味地追求产品如何地“逼真”、如何地“炫”，这种华而不实的数据可视化形式无法达到IPT团队协调设计和沟通的目的，也不是工程可视化的发展方向。工程可视化旨在借助于图形化手段，将数据转换为图形或图像，并在屏幕上显示出来，通过互动方式，将MBE定义的产品属性及相互关系，采用模型、图表和曲线清晰有效地表达数据的变化，以及由于数据变化造成的直接影响，确保对工程质量、进度和成本决策起着支撑作用。

图3 三维汽车模型可视化效果图

可视化技术就是通过使用富于说服力的三维可视化克服语言障碍，把复杂工程问题简单化，每个人看到一种设计方案都可以加入自己的意见，不论使用的是何种应用系统，也不需要IT技术人员帮助做数据转换。工程可视化在这里已经变成产品决策、变更管理和流程批准的工具。设计人员在第一时间发现问题，解决问题，从而降低设计风险，把更多的时间留给设计与制造。

3 方案

目前，企业正在向着综合性的协同设计制造体系的方向发展，其主要目的是打破传统的各部门、各专业各自为战的现象，加强横向与纵向的沟通交流与协同，尽量在产品研发制造的全过程中充分考虑到多种因素的影响，以提高工作质量及效率，减少设计缺陷与返工，最终达到更高的产品质量，同时缩短研发制造周期并降低投入成本[1]。

3.1 系统组成部分

企业信息化应用架构分为两大部分：一部分是企业产品模型；另一部分是全三维互动可视化部分。企业信息化体系架构如图4所示。

图4 企业信息化体系架构

3.2 软件部分

软件部分包括下述内容。

1)物理仿真。实现模型物理属性的定义、编辑和取消，动态干涉检查，模型行为约束，机构运动学，装配自动捕获等。

2)人机工效。对交互过程中对人体模型可操作性、可维护性进行检验，分析操作舒适性。

3)模型渲染。提供多种光源、贴图材质及纹理特效。可实现高分辨率的静态图片、全高清的动态视频等。

4)动画编制。支持多个视频轨及多种重复模式，可用于编辑复杂的动画，生成相应的全高清3D视频。

5)数据接口。用于与CAD软件进行数据交换。

3.3 硬件部分

硬件部分包括网路环境、固定式沉浸展示环境、应用工作站及数据服务器、服务器集群控制与管理、数据资源管理、模型轻量化处理、大规模数据运算、立体影像渲染和数据使用终端计算机等。

4 应用

在企业现有模型应用环境中，在顶层构架了可视化系统，完善了企业信息化体系架构[2-3]。

基于MBE的可视化应用实例如图5所示。企业的模型系统是SIEMENS系统的TC/PDM、TC/PM、NX/CAD、NX/CAE和NX/CAM等，实现了企业的产品模型、仿真模型、工艺模型、加工模型、维修模型和管理模型通过数据接口及时推送到可视化系统。

图5 基于MBE的可视化应用实例

在整个产品研发过程中，客户、供应商和设计部门能够在跨学科、跨地域的情况下对产品设计准确理解，同时又能保证产品的功能性与可制造性、可维修性、可维护性，特别是产品研制与项目管理属性相关，并以直观、可视方式展示，从而实现基于网络的及时协调，缩短产品的研发时间，降低设计风险；同时对产品研制的进度、成本做到项目可控。

5 结语

通过项目实施，解决了复杂产品研制过程中项目团队内部设计、工艺、仿真、制造、检测和管理等不同职能人员的及时有效沟通及决策，解决了对实物样机和样机试验的过分依赖问题，实现了传统产品设计、五性设计、工艺设计、检验设计和研制管理的不同领域、不同专业的数据关联与展示。通过全三维全属性的沉浸式互动环境，使IPT团队的每个人工作及行为都与研制过程发生关系，并且及时地反应这种关系对产品研制的影响。工程可视化环境已经把并行协同的设计理念转变成了可操作的工作流程，也改变了传统串行的产品决策、变更管理和流程批准的工作模式。

[1] 李建强, 范玉顺. 企业集成平台技术研究[J]. 计算机科学, 2004, 31(1): 66-68.

[2] 丁晓阳, 丁来军. 建设CAD/CAE数字设计/仿真平台[J]. CAD/CAM与制造业信息化, 2006(8): 4-8.

[3] 曹虎，曲强，应小昆，等. 企业信息化综述[J]. 新技术新工艺，2014(10)：52-55.

责任编辑郑练

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

丁来军(1962-)，男，高级工程师，主要从事企业信息化、产品数字样机技术、MBD/MBE技术应用、产品可视化技术和工艺流程信息化等方面的研究。

2015-04-07