基于虚拟现实及仿真技术的制造
2021-11-03 来源： 智造苑
仿真指的是利用软件和硬件技术模仿实际物理世界中的系统以及系统的行为、操作和流程等关键特征的技术。简单来说，仿真就是对真实系统的抽象描述，并尽可能地挖掘出其中最本质的机理和特征。仿真技术的应用广泛，从仿真对象的角度可以分为计算机硬件系统、控制系统、制造系统、服务系统、人力资源管理、项目管理、市场演化、社会系统、经济系统和生态系统等等；从仿真的目的可以分为安全工程、开发测试、培训与教育、系统优化以及游戏与娱乐等。
仿真技术具有多种优势，如可伸缩性、可扩展性、易理解性等，同时很多仿真技术还具备可视化的展示能力，这种动画视频的形式不仅可以用于效果展示，还可以用于验证、培训和调试，使得仿真结果更有说服力。随着计算机图形学、大数据分析技术、人机接口技术、传感技术等最新技术的迅速发展，仿真技术可视化的这一优势也更加凸显出来，最有代表性的就是虚拟现实技术，也被称为VR（virtual reality）技术。虚拟现实技术就是结合仿真软件和穿戴式智能硬件，为使用者提供一个计算机中的沉浸式模拟环境，这种沉浸式的体验包括了听觉、视觉甚至是触觉等其他感觉。
随着虚拟现实及仿真技术的飞速发展，业界和学术界都慢慢开始尝试将其引入到制造业当中，其中有代表性的有供应链管理、生产物流管理和顾客需求管理这三个领域。
「 1. 基于虚拟现实及仿真技术的供应链管理 」
在制造业和运营管理领域，供应链（supply chain）的概念很早就被提出并有大量的理论和实践研究。一个供应链不仅包括生产制造和原料供应，还包括运输、仓储、分销以及消费者自身等各个环节。所有的这些阶段共同组成一个复杂的网络结构，其中既有物流关系，还包括信息流和资金流。随着经济全球化的加深，供应链上的主体更得更多且关系复杂，使得整个供应链的复杂性和风险性不断增加。供应链管理中需要分析和设计的参数越多，通过传统的数学解析模型来对供应链进行分析的难度就越大。在考虑不同的约束和目标的情况下，仿真技术提供了识别供应链风险、理解和评估供应链性能的机会，因此，考虑到供应链中的高度随机性，仿真技术是一种可以用于供应链管理复杂决策分析和性能评估的强大工具。
IBM曾经开发过基于仿真技术和量化分析方法的供应链分析软件AMT（asset management tool）。据估计，AMT在1998年共为企业节省7.5亿美元，而IBM公司也因此获得了美国INFORMS协会在1999年颁布的Franz Edelman奖。通过后来的不断开发和完成，IBM又在AMT的基础上开发了SCA软件（supply chain analyzer）。完善后的SCA基本包含了供应链运营管理中的关键问题，如库存水平控制、补货策略、运输策略等。更值得注意的是，该软件已经真正地融入到企业信息系统和企业运营流程中，并且考虑到互联网发展的趋势，引入了基于Web端的界面和数据接口。为了保证软件的易用性，该仿真平台在用户界面的设计中考虑了使用者的定制化需求，可以想象，随着虚拟现实技术的不断发展，用户在未来甚至可以直接与虚拟的供应链模型进行体感交互。
从这个例子中可以看出，仿真技术基本可以融入供应链管理中各个方面中。具体来讲，仿真技术目前在供应链管理领域上主要有三个方面的应用，其中既包括前期的供应链设计，又包括中后期的供应链风险管理和供应链运营管理。
1）供应链设计
供应链作为一个包含供应商、制造商、分销商、承运商的多层结构化网络，其网络系统的设计是一项艰巨的任务。其中既包括了设施位置、生产能力、库存量、运输模式等生产性指标，又包括了供应关系、合作关系、信息共享政策等商业运营指标。这些指标的组织优化空间非常巨大，虽然我们可以通过运筹学和大数据分析的方法筛选参数组合，但是由于供应链模型的抽象性，筛选后的参数组合并不能直观地给设计者以决策“信心”。而仿真技术可以最大程度地模仿现实中的各种情况，并尽可能地减少模型不切实际的假设。在供应链设计的阶段，即使设计者完全没有运筹学或数据分析的知识基础，也可以通过调整仿真模型用户界面中的各个参数设置来直观评估供应链设计方案的优劣。将仿真技术引入到供应链设计中可以最大程度地描述出供应链中的非线性关系，辅助设计者处理大规模的设计问题。Teriz和Cavalieri将仿真技术在库存、配送运输、生产调度、需求、销售以及供应链网络设计等问题做了综述性的分类总结。
2）供应链运营
在实际运营过程中，可以通过建立供应链仿真模型为日常的运营管理提供过程控制、决策支持和前置性计划。在运营过程中，供应链时刻处于动态变化之中，但结合传感器技术和大数据分析，我们可以将供应链的实时数据和分析结果输入到仿真模型中，使得仿真模型也随着供应链的变化而演化，并始终保证二者在核心指标上尽可能的保持一致，有学者将类似的仿真模型概念称为“虚拟供应链”。虚拟供应链在供应链设计阶段，可用于评估供应链的不同配置。在进入运营阶段后，该仿真模型同样也会演化并提供有价值的支持。在此阶段使用仿真技术可以支持供应链计划和调度以及供应链执行策略。对于供应链执行，通过评估发生意外情况时可用的替代行动方案，模拟并制定事件管理策略。
3）供应链风险管理
供应链中的风险管理虽然与供应链设计和运营管理有一定的重合，但是考虑到仿真技术在风险管理中的广泛应用，在这里我们单独拿出进行详细的讨论。首先风险管理作为供应链管理中的重要课题，从牛鞭效应到供应链柔性设计，类似的风险控制问题一直以来都备受研究者重视。由于完整的供应链网络中风险因素众多，其中的某一环节出现问题都有可能导致整个供应链的上下游出现生产停滞或库存爆仓的情况。而仿真技术可以利用What-If测试等方法，通过不断调试系统参数来模拟真实情况中的各种特殊情况，并检测供应链中各个企业的风险管理能力（图1）。Wilson应用系统动力学方法来模拟运输中断对供应链绩效的影响。Wu和Olson建立了一个三级供应链的模型，并利用具有代表性分布的随机模拟数据来确定供应链绩效的期望值，并探究了供应商选择中的风险管理问题。
图1 某天然气贸易公司的供应链仿真软件动画
结合虚拟现实等仿真技术，我们可以更加直观、切身地理解供应链管理中的核心机制和关键特征，这种动态、系统的洞察力有助于帮助管理者树立科学的管理理念，进而提高供应链的效率。供应链各个环节都存在不同的企业，它们对供应链整体有不同的利益诉求和期望，所以经常会出现利益冲突的情况。通过建立统一的仿真平台，让供应链上的各个对象最直观地了解到供应链整体的性能，并通过可视化的数字仪表盘来将各个主体最关心的指标表现出来，这样更有利于实现供应链协同。当然，在将仿真技术应用于供应链管理的过程中，也存在着一些困难，如供应链成员之间共享专有数据的问题等，但随着数据加密技术、区块链技术等数字化技术的进步，部分问题将逐渐得到解决。即使这些困难和缺陷依然存在，但是仿真技术在供应链管理上的应用优势已经得到了学术界的逐渐认可，并且在业界也有非常高的接受度。
「 2. 基于虚拟现实及仿真技术的生产物流管理 」
正如前文所述，仿真技术可以在产品、系统的设计和配置阶段就进行试验和验证，因此仿真技术也被广泛地应用于制造领域，尤其是在当今数字化制造与智能制造的背景下，人们对于虚拟现实等仿真技术在生产制造领域的应用抱有极高期望。随着工业4.0的到来，以前大批量工业化生产的模式逐渐向多品种、少批量的模式转变。产品定制化和个性化的要求不断提高，这对生产物流系统的设计带来了极大的挑战。就在这种情况下，仿真技术的价值也更加得到重视。传统的制造系统仿真研究更多地是模拟物料通过不同的机器和物料处理系统的变化以及物流布局的影响。有的软件使用随机模型来仿真工件的加工和到达时间。这些模型对于分析机床利用率、加工时间、瓶颈工艺等具有重要意义。目前的仿真技术已经不局限于此，还在培训、排产计划、产品设计、人体功效等各个方面发挥作用。
1）产品开发
从上世纪末计算机技术发展开始，很多产品设计的工作都已经直接通过计算机辅助软件来操作，如使用3D CAD（computer aided design）仿真软件生成原型机并进行初步的有限元分析等，但随着计算机视觉技术的进一步发展，这些工作将会变得更加生动和逼真。在产品开发过程中，利用沉浸式或半沉浸式设备如CAVE、HMD和BOOM等，可以提高人与人、人与机器的交互。一个被称为DiCoDEv的仿真平台可以简化分布式设计专家与共享虚拟环境之间的合作。虚拟现实之前更多被定位于一种娱乐玩具而不是工具，然而现在它正在凭借其逼真的视觉效果和协同设计的能力，被应用于工业设计领域。尤其是在航空和汽车行业，由于其需要快速开发产品，很多公司已经开始根据自己的需求与研究机构合作研究开发虚拟现实工具。如学术界有学者提出了CAD仿真和虚拟现实技术的整合框架，并成功将其应用于产品设计过程中；工业界General Motors公司和Caterpillar公司也已经将虚拟现实技术引入到设计过程，以建立车辆的数字仿真原型机。
2）生产布局
生产布局规划是指制造车间内机器/设备分配方案的设计。工厂的生产布局设计是一项多学科、知识密集型的工作，对于现代全球竞争环境中的制造商的生存至关重要。由于客户需求在产品数量和产品种类方面的快速变化，设计和建造新工厂布局或重新配置当前布局的需求已经大大增加。这就要求企业更灵活地规划，设计和重新配置工厂布局，以便能够将新产品推向市场并保持其竞争优势。使用预定义的对象，可以用3D仿真技术实现布局模型，避免设备和环境的重复绘制工作，并且创建的数字工厂为用户提供了在工厂模型中移动、浏览、检查和渲染动画的能力（图2）。在汽车生产的过程中有研究提出一种导出装配线设计方案并根据多个用户定义标准的对其进行评估的方法。
图2 某汽车零部件加工厂布局仿真模型
3）车间物流
制造过程中的材料流动是指材料通过工厂内部的生产过程或价值流动来生产最终产品。在当今不断变化的制造业环境中，大规模定制、全球化制造和数字化制造共同形成现在的竞争新格局，企业需要更强大的能力来更快响应市场动态和不同需求。采用优化的车间物流机制，结合新兴技术的实施，对于提高生产和服务质量以及为客户提供服务具有重要价值。车间物流方案的规划过程中，我们可以基于仿真模型框架，整合场景建模技术，自动基于实际的模型布局生成物体移动的运动路径，并尽可能地避免与其他物体的碰撞（图3）。另外还有研究使用Java语言开发了一套船舶修理厂物流过程的仿真模型，该模型引入关键业务功能与生产计划，并可以结合调度计划和控制算法来支持船舶修理的现场管理。
图3 某汽车零部件加工厂部分加工环节仿真模型
4）生产流程
生产流程指的是使用一种或多种物理机制来改变材料形状、性质的过程。在生产流程中，加工、装配和检测这三个环节是目前仿真技术应用较广泛的领域。现代产品配方、工艺和制造流程复杂，这就对加工工艺的模拟提出了更急切的需求以及更困难的挑战。经典的有限元分析软件可以建立仿真模型以探究航空发动机组件的各种性能指标，最新的虚拟现实技术也可以从各个维度展示并联机床的加工过程。通过对物理原理和化学原理的高度模拟，我们可以对流程制造和离散制造加工过程中的过程参数进行建模和标注，并通过用户友好的人机交互界面（甚至可以是逼真的视觉效果）将这些指标动态地展示出来。通过建立仿真模型，我们也可以将产品各组件之间的交互关系模拟出来，并刻画出各组件装配过程中的相互影响和耦合作用，同时使用最佳装配算法的智能虚拟装配系统在虚拟装配过程中提供触觉交互。另一个触觉虚拟现实平台HAMMS可以仿真组件虚拟装配的性能，并对装配过程进行计划和评估，同时大部分的仿真平台还可以被用于培训装配人员和维修人员。
正如前文论述，虽然物流流动是生产物流的主要目的，但只聚焦于物料流动的模拟有很大的局限性。现在的仿真技术已经比较成熟，仿真软件已经涉及到生产物流中的其他主要流程和环节，如管理流程模拟、信息流模拟和人机交互模拟等。当各个领域的子模型整合在一起时，可能才能真正实现制造和物流系统的整体仿真模型，而这个概念有的学者称之为虚拟工厂和虚拟物流，或者最近被广泛提及的数字孪生（digital twin）概念。而虚拟现实作为一个快速发展的计算机交互技术，也已经被应用于设计到过程模拟的几乎各个阶段。虚拟现实环境为多个用户提供了可视化、沉浸和与虚拟原型交互的能力。既可以有效地管理知识，还能在同一个虚拟物体上进行实时协作并对其进行验证（verification and validation），甚至是使用数字人体模拟进行人体工程学评估。
「 3. 基于虚拟现实及仿真技术的顾客需求管理 」
关于制造业的定义有很多，但是大部分都避不开“客户需求”的概念。Chryssolouris就将制造定义为物料和信息通过一系列转化最终以满足客户需求的过程。但是传统制造业受地理和技术的限制，大部分远离顾客和受众，最终造成与顾客需求的脱节。但随着仿真技术，尤其是虚拟现实技术的发展，将“前台”的客户需求与“后台”的产品设计、生产、制造过程打通，已经不再是天方夜谭。在过去，人们很难看到产品设计和制造过程的图像，因此在产品制造出来之前，几乎对于产品没有认识。但是通过虚拟现实技术的形象化模拟，顾客可以更好地理解正在制造中的产品，因此也能更加明确地提出自己的需求。最近几年，很多零售巨头已经尝试将虚拟现实等仿真技术现引入到电子商务和销售领域，如沃尔玛公司收购虚拟现实初创公司Spatialand以发展虚拟零售；阿里巴巴推出淘宝BUY+计划，也是为顾客提供远程的产品体验服务，并以此来满足顾客的需求，正如Rohrer所说，人们通常相信自己真实看到的东西。
虽然目前在工业领域，利用虚拟现实技术来挖掘顾客需求的研究和应用并不是很多，但是可以想象，虚拟现实模拟出的结果，由于其“真实”的沉浸式体验，可以大大增加用户对于产品的感知度和信任度。利用虚拟现实的数据采集硬件，结合眼动实验、脑波实验等分析系统，仿真平台甚至可以直接获取客户对于产品的满意度，进而对产品进行营销评估，了解其对其他客户的潜在需求。一旦这些需求被收集起来，那么该产品在设计和制造过程中就会有针对性的定制化生产，以便将客户之声与产品技术指标联系起来，并将其转化为零件特性、制造操作标准和生产要求，这种正向设计的思路将会给制造业带来变革，真正实现工业4.0中所描述的以顾客为导向的制造业。
引自：《未来制造新模式——理论、模式及实践》（作者：江志斌，林文进，王康周，李乐飞，涂金）
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