虚拟现实技术应用实例以及在各行业的应用情况

虚拟现实在各行应用六则（三）

一、虚拟现实的计算机技术：计算机体系结构

虚拟现实对计算机系统的要求，只包括了视觉显示对计算机系统的要求。位姿传感器的数据处理，一般不在主计算机上进行，而是由专用的电子设备完成。听觉显示，力觉触觉显示，研究工作和实际应用还较少，对其计算要求的认识还较少。听觉显示和力觉触觉显示的计算，往往由专用计算机完成。所以，当前的虚拟现实计算机，主要完成视觉显示的计算任务。

帧频和延迟时间的要求

VR要求高帧频和快速响应，这是由于其内在的交互性质。

要求的帧频和延迟一般取决于环境特性。只有慢速运动物体的较静的环境，可以用帧频每秒8至10，和0.1秒延迟。如果环境有高速运动的物体，则要求高帧频（>60Hz）和短延迟。所有情况下，若帧频低于每秒8帧，则失去三维环境的生动感，若延迟大于0.1秒，则很难操作环境。因此，帧频必须大于8到10帧/秒,总延迟必须小于0.1秒。

帧频概念来自动图像技术。在动图像显示中，每一帧实际上是静止照片。如果新照片快速接替旧照片，就产生连续运动的幻觉。修改率是在屏幕上的显示改变的速率。为符合基本的动图像技术，理想的修改率是每秒20帧（新图像）。

对计算机硬件，帧频有几个含义。它们大致分类为：图形的帧频，计算的帧频，数据存取的帧频。为了维持在VR中的临场和沉浸感，图形帧频是关键的。这些帧频可能是独立的，图像场景可能变化，而没有来自用户视点运动的计算和数据存取。这时，图形的帧频大于计算的帧频和数据存取的帧频。经验表明，图形帧频率应尽可能高，低于每秒10帧的帧频严重降低临场的幻觉。如果图形显示依靠计算和数据存取，则计算和数据存取帧频必须为8到10帧/秒，维持用户看到时间演化的幻觉。

如果应用允许交互控制，也要求快速响应。已知，长响应时间（滞后时间，延迟时间）严重降低用户性能。延迟时间是从用户的动作开始（如用户转动头部），经过位姿传感器感知用户位姿，把位姿信号传送给计算机，计算机计算新的显示场景，把新的场景传送给视觉显示设备，直到视觉显示设备显示出新的场景为止。这些延迟在计算机系统中来自很多因素，如数据存取时间、计算时间、绘制时间以及输入设备数据处理时间。类似帧频的情况，延迟的来源分成：数据存取、计算、图形。虽然延迟与帧频有关，但它们不同。系统可能有高帧频，但有较大的延迟时间，显示的图像和提供的计算结果是几帧以前的。研究表明，多于几毫秒的延迟会影响用户性能，而多于0.1秒的延迟有严重影响。

计算能力和场景复杂性

虚拟现实仿真的计算问题，是一种时间受限的计算。这是因为显示的帧频必须大于8到10帧/秒。于是，在0.1秒内，必须完成一次场景的计算。如果一个显示的场景中有10,000个三角形（或多边形），这个数量就反映了场景复杂性。这样，在每秒进行的10次计算中，就应该计算100,000个三角形（或多边形）。这表示了计算能力。

若要求更加逼真的仿真效果，就要增加场景复杂性。显示的场景中有更多的三角形（或多边形），显示的效果就更逼真。这就要求更强的计算能力，每秒计算更多的三角形（或多边形）。反之，如果只能使用能力有限的指定的计算机，则限定了计算能力，也就限定了场景复杂性。每个场景，只能用较少的三角形（或多边形），产生较粗糙的显示。这种考虑就是，计算能力和场景复杂性的折衷。

下面几节将介绍用于VR的各类计算机。对这些计算机，主要的技术指标就是其计算能力，也就是每秒计算的三角形（或多边形）的数目。应该注意，是否加纹理，是否反走样，采用哪一种明暗模型，都会影响到计算能力。加入这些复杂的功能，就会增加计算复杂性，从而减少每秒计算的三角形（或多边形）的数目。

下图表示，波音747-400飞机的两种复杂性不同的三维模型。（a）中的模型有520个顶点，406个多边形。（b）中的模型有7694个顶点，7556个多边形。效果图说明了明显的逼真度差别。

下图表示，人体骨骼的两种复杂性不同的三维模型。（a）中的模型有8979个多边形。（b）中的模型有131275个多边形。效果图说明了明显的逼真度差别。

对计算机系统的要求

图形学和计算机硬件的进展对全真实的VR是关键因素。今天的硬件能力只能给研究者、厂家和用户提供虚拟世界的尝试和应用的希望。由于广泛的兴趣和有不同性能要求的大量应用，所以需要在几个层次继续进行硬件开发，由高档多模式工作站到低档的只有适当三维视觉能力的个人工作站。

将来的高档VE系统有几个硬件要求。我们始终需要为应用提供高计算要求的计算机结构。这些机器必须有很大的物理存储（>15Gbytes），多个高性能向量处理机，高带宽（>500Mbytes/s），低延迟（<0.03s），巨型存储设备，和对各种输入输出设备的高速接口。磁盘带宽不可能在近几年大大改进。对录象和超媒体集成，磁盘带宽和大小是限制因……（未完）

二、虚拟现实建筑设计思维

虚拟现实又称为虚拟环境（VirtualEnvironments）、人造空间（Cyberspace）、人工现实（ArtificialReality）、仿真技术（SimulatorTechnology）等。它集成了计算机图形学、多媒体、人工智能、多传感器、网络、并行处理等技术的最新发展成果。它以模拟方式为使用者，创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维图像世界。在视、听、触、嗅等感知行为的逼真体验中，使设计者可以深入探索、参与者可以直接参与虚拟对象在所处环境中的作用和变化，仿佛置身于一个虚拟的世界中，产生融合性…… 1997年，Bridges与Charitos提出建筑设计与VR之间，存在着一双向关系，建筑设计可引用VR来评估与验证设计意图，而虚拟现实的环境可引用建筑设计知识来建构。

虚拟现实的建筑演示系统

在建筑和规划学科领域，使用虚拟现实演示单体建筑、居住小区乃至城市空间，可以让人以不同的俯仰角度去审阅或欣赏其外部空间的动感形象及其平面布局特点。它所产生的融合性，要比模型或效果图更形象、完整和生动。

使用虚拟现实语言，可实现实时场景及单体编辑，动画、解说等多媒体信息和虚拟现实无缝连接。它让人易于交流，加强大众与专业团体对城市及开发区规划的理解与熟悉，勾画未来城市的形象等。

台湾交通大学建筑与文化研究院刘育东教授在台湾新竹市东门城广场规划中，第一次对公共工程进行公开讨论，以拟定后续的发展准则。居民们希望从任意角度了解工程项目的。情况，所以将虚拟现实引入用户参与设计系统是十分必要的。虚拟现实能适应因特网上传播的需要，并能满足房地产信息的需求。对房地产开发商、建筑设计和规划行业来说，虚拟现实的展示方式是大势所趋。

在商品房交易中，消费者除了关注商品房的价格、位置之外，越来越关注房屋的环境、结构、设计、装潢。用户在查询某商品房时，可以定位指定观察室内户型以及小区环境。可以亲身体验小区建成后的三维虚拟环境，了解室内空间、周边环境、固定设施的配套情况，因而仿佛身临其境。虚拟现实可以辅助户型室内装修设计及建材选择。场景中每个物体，可进行独立的移动、隐藏等编辑操作。动感十足的虚拟现实可刺激用户的购买欲，有助于销售，缩短售房周期。

虚拟巡游系统的形成过程

以动画及虚拟系统的形成过程为例，介绍如何将虚拟现实辅助于建筑设计方案中。

数据采集

包括平、立、剖面与透视图。包括能充分反映建筑物的特点、立面效果，以及重要建筑物的空间关系的规划区域实景图像，诸如多角度、多距离观察的录像与摄影图片。还包括空间参照物，如四周建筑物，相关的图纸和文本。

用三维建模软件建模

依据方案设计图在三维图形系统中构造建筑物，常用建模软件有AutoCAD和3DSMAX。使用3DSMAX制作动画。将其以VRML （VirtualRealityModelingLanguage）文件格式输出。

优化虚拟系统

?使用LOD（Levelofdetail）算法替代模型的不同版本，以减轻VRML浏览器的负担。通过这种算法，对于远处的或者是不重要的物体，用较少的多边形表示。对于近处的或较重要的物体用较多的多边形来表示，从而在保证图像质量的基础上减少多边形的数目。

?在场景中放置足够多的摄影机，以供用户选择。

?使用USE，对原始节点进行重用，以减少文件长度。

?使用超链接节点Anchor，Inline等，链接其它虚拟空间。Anchor使场景中的对象与另一空间造型……（未完）

三、虚拟现实环境下的产品设计和制造技术

虚拟制造技术是利用计算机技术对所要进行的生产和制造活动进行全面的建模和仿真，包括产品的设计、加工、装配、物流、资源计划和调配、组织和管理等。在产品的设计阶段就实时地模拟出产品的形状和工作状况、制造过程、检查产品的可制造性和设计合理性、预测其制造周期和使用性能，以便及时修改设计，更有效地灵活组织生产，缩短产品研制周期，获得最佳的产品质量和效益。

按虚拟制造技术的功能可分为：面向产品的虚拟制造技术和面向生产过程组织管理的虚拟制造技术。前者着重于产品的设计、制造、使用、检验及评价的建模与仿真，后者则着重于生产过程的计划、组织管理、资源调度、物流、信息流等的建模与仿真。

虚拟现实技术是利用计算机技术建立一种逼真的虚拟环境，在这个环境中，人们的视觉、听觉和触觉等的感受象是在真实的环境中一样，即有“身临其境”的感觉，人们可以沉浸在这个环境中与环境进行实时交互。这就是它的所谓“沉浸性”、“实时性”和“主动的交互性”。在这个环境中，设计、制造和使用的产品，并不是实物，不消耗实际材料，也不需要机床等设备，他只是一种图象和声音的所谓“数字产品”而已。利用这种数字产品，可以进行产品的外观审查和修改、装配模拟和干涉检查、机械的运动仿真、零件的加工模拟，乃至产品的工作性能模拟与评价，以便在产品的生命周期的上游设计阶段就可以消除设计的缺陷、评价加工的可行性和合理性，预测产品的成本和使用性能，提出修改的措施和方法。虚拟现实技术为实施并行工程、敏捷制造，减少失误和返工、缩短研制周期和提高产品质量提供了一个最佳的环境。可见，虚拟现实技术与面向产品的虚拟制造技术的关系最为密切。

虚拟现实技术的基本要求

从人类获取信息的方式看，视觉是最主要的，它占人们获取的信息量的70%，其次是听觉、触觉和味觉。为了实现逼真的效果，满足人的视觉和听觉习惯，虚拟环境的图象和声响应是三维立体的；为了达到实时性，图象至少应有60 120Hz的帧频，还要随时响应人们的操纵信号，延迟不能超过0.1秒。因此，虚拟现实技术对计算机的计算处理速度和显示器的要求很高，多数系统和高质量的系统都是在工作站上开发的，并要配备高级图形加速卡。但这两年，微机性能大幅度提高，已经在微机上实现了较高质量的虚拟现实技术。成本降低和微机的普及性，将大大推动该技术的应用与发展。

人们通过视觉获得外界物体的形状、空间位置和速度，要通过人的静态、动态和生理的立体深度线索来获取。静态深度线索主要是空间内物体的位置、遮挡关系、大小和清晰度等，这在的三维造型的投影关系中已经考虑进去了。物体运动产生的动感和位置变化，就要求计算机必须实时地计算和处理图象，只有超出人的视觉暂留时间，一般不少于30帧/秒，才能获得平滑稳定的图象，而不会出现闪烁。这就是目前的一般三维动画所要求和应达到的。但这样的三维图形和动画在屏幕上是二维显示的，就象用一只眼睛看物体，缺乏物体的深度感和立体感。实践表明，人的双目视差对物体的深度感起决定的作用。要达到自然的物体立体效果，就必须用“两只眼睛”看物体。

在计算机虚拟环境中的图象，就必须将人的两只眼睛的图象分开计算和处理，相应地要求有分开的图象显示。目前常用的是头盔式显示器，在桌面虚拟环境中，是在普通显示器上显示双图象或交替显示双目图象，再通过光阀眼镜分离两眼看到的图象。因此，采用双目图象交替显示时，显示器的帧频必须是普通显示方式的两倍以上。再考虑到光阀眼镜的延迟，帧频不少于80Hz才不出现闪烁现象。

双目分开的图象就要求计算机必须实时计算和处理80帧/秒以上的图象。这个实时性要求是很高的，故多采用工作站作为主机。在微机上的游戏软件中，以前的方法是采用很低的分辨率和二维图象。随着微机速度的提高，目前可以采用三维图象，但分辨率仍很低。采用高档图形加速卡，可以大大加快计算速度，可以达到32bit彩色、1600 x 1200分辨率、4M Triangles/s和100M pixel/s纹理，已经使得微机平台上的虚拟现实技术进入了实用阶段。

在制造技术上，一般对声响的要求较低。而在军事实时对抗训练等虚拟现实系统中，空间立体声效果是必须的了。

在桌面虚拟环境中，人机交互的操纵器主要是普通鼠标、6自由度鼠标、数据手套、操纵杆。数据服、大型投影屏幕等使用于更完善的虚拟现实系统中。

根据不同的用途和需要，可配置不同的系统，适当的沉浸深度的虚拟环境才不会使系统过于复杂及成本、维护的负担过重。例如，用于汽车外形造型设计的系统，重点在显示高质量的立体图象，而听觉和触觉的要求很低，用普通鼠标进行操纵即可，实时性也要求不高。再如，零件装配模拟中，除了图象外，可操纵性要求较高，可配备6自由度鼠标和数据手套等。在车辆、飞机模拟训练等虚拟现实系统中，要求有宽阔的视野、实时的操纵系统、逼真的声响效果。不仅要快速响应人们的操纵信号，还要实现人们对力、位移等的触觉反馈的仿真。

虚拟现实系统的应用

虚拟现实系统首先在军事、航天等高科技领域以及娱乐与漫游等方面获得成功的应用。例如：用于宇航员、飞行员训练的座舱系统、战场实时演练系统（虚拟战场）等。虚拟现实系统在产品设计、制造过程中同样具有重要的应用，可大大提高产品的技术水平，例如：波音公司777飞机的设计、福特汽车外形设计与碰撞实验、工厂和建筑物的漫游等。目前应用效果……（未完）

四、虚拟现实技术在刑事科学技术中的应用

虚拟现实技术是一项综合集成技术，涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等领域，它利用计算机生成一种模拟环境，通过多种专用设备使用户“投入”到该环境中，使用人能够对虚拟环境中的物体进行考察或操作，实现用户与该环境直接进行自然交互，同时提供视、听、摸等多种直观而又自然的实时感知。它可以满足刑事技术以下几个方面的需求：

显示那些实际存在，但因某种原因使得大多数人难以到达的场所，例如：高空、深井等不易近距离观察的现场，具有爆炸、坍塌、放射污染等危险的现场，这些现场的勘查、分析、研究往往受限于个别勘查者的主观因素及其勘查的结果。假如利用虚拟现实技术进行现场重建，可让更多的技术人员在虚拟的环境中勘查、分析、研究，这样不仅一改传统案件分析纸上谈兵的被动方式，而且也极大地提高了工作效率和分析的准确性。

显示那些曾经存在，但现实中由于种种原因灭失的事物，例如：久侦未破案件的现场环境，由于城市发展等原因已不复存在，这给后期案件现场的再研究带来了极大的困难。利用虚拟现实技术，可以调用当时案件侦查过程中建立和保留的虚拟勘查资料或是根据当时的资料重建虚拟的现场环境，研究者可以在虚拟的现场环境中充分体会、了解当时的环境，更好地把握各种现场信息。

显示那些实际不存在的事物，与实际存在的事物进行对比，例如与其他系统相结合的环境仿真技术，可以为刑事技术的现场试验、模拟演练、教学提供一个理想的实验环境，虚拟案件的地理环境。

刑事案件的现场勘查是刑事科学技术的重要组成部分，复杂的案件往往有多个现场，研究分析每个现场形成的空间位置、顺序及其相互关系，对案件的侦破有着极其重要的意义。利用虚拟现实技术可以对案件现场周围的地理环境甚至整个城市进行模拟重建，把一个案件的多个现场展现在同一个地图上，研究者可以在这样的虚拟环境中，从不同的角度、不同的高度、不同的距离随意进行观察，并可以利用其测距功能对某一行为或现象的可行性进行分析，如：精确的测量各个现场的距离，根据案犯的行动速度来计算其到达另一现场所需要的时间，以分析犯罪嫌疑人作案的可行性或其逃逸的路线、时间。

还可以根据勘查的结果将虚拟的犯罪嫌疑人置于环境中，再现其活动过程。多角度再现犯罪现场，重建犯罪现场，再现犯罪嫌疑人在现场的活动过程，不仅是现场勘查的目的之一，而且也是分析犯罪嫌疑人犯罪心理的重要依据。利用虚拟现实技术来进行现场重建，不仅一改传统的以文字或图片描述犯罪过程的形式，而且为用户提供了全方位、多角度研究现场，审视现场勘查全过程的平台。在重建过程中，将犯罪嫌疑人的行为按照现场分析的结果预先设定在现场中，研究者以第三者的角度从各角度旁观案犯的作案过程，以验证当初的分析结果。或预先设置好各个物证的空间位置，以研究者的主观角度，去尝试完成作案过程，这样，研究者就更容易分析体会案犯的犯罪心理。

现场物证是犯罪嫌疑人行为的作用结果，研究现场物证及其形成的过程有助于技术人员对物证的检验鉴定。现场勘查人员在现场勘查中对现场物证的初步分析往往基于技术人员的经验，这些分析需要经过数据的测量运算和实验结果来验证，现实中由于受实验环境、材料、观察的角度等条件的制约，一些现场实验无法多次重复进行或进行多角度观察。但借助虚拟现实技术，技术人员可以通过虚拟的现场实验环境，设置多种可能的参数，反复地进行试验，多角度观察整个物证形成的全过程，来验证分析结果的准确性，这样不仅使一些现场实验变成了可能，而且大大降低了实验的成本和风险，提高了实验的可靠性和效率。为学员提供最直观的培训。

虚拟现实技术能将一维空间的意念清楚地表达出来，能使学习者直接、自然地与虚拟环境中的各种对象进行交互作用，并通过多种形式参与到事件的发展变化过程中去，从而获得最大的控制和操作整个环境的自由度。这种呈现多维度信息的虚拟学习和培训环境，将为学习者以最直观、最有效的方式掌握刑事技术中的某些问题提供前所未有的新途径。在刑事技术教育培训的诸多科目中，很多知识只能通过教师的讲述或图像的展示很难使学习者理解和掌握，借助虚拟现实技术，学习……（未完）

五、虚拟旅游的应用和发展

新趋势带来的景区营销新革命

经济发展和信息技术的进步大大改变了人们的生活习惯。当前旅游业发展有4个趋势值得关注，即旅游大众化、出行散客化、行为个性化和营销网络化。当前，中国正处于一个大众旅游快速增长期，而在游客出游的比例中，散客的比重越来越高，已成为人们旅游出行的主要方式。其中又有不少游客更倾向个人化、更注重参与、更加独立、渴望掌握更多信息。对于旅游资讯的获取更加依赖互联网。根据一项调查，年轻人获取旅游资讯的渠道：互联网（42%）、电视（28%）、书报杂志（20%）、广播（10%），可见互联网已经成为获取旅游信息的主要渠道。

2007年统计显示，全球上网用户数达到7.13亿，中国就高达2亿以上。作为一名自助游游客，已经可以通过互联网上平台安排自己的全部行程，完成从设计旅游行程、获取详细的旅游资讯、享受线上预定服务、电子地图查询、虚拟现实体验到分享旅游经历的完整过程，实现全程的数字旅游新体验。

景区准备好了吗

景区作为旅游产品具有非实体性、无转移性、不规范性、无贮存性、强敏感性的特点。景区营销的重要性是毋庸置疑的，但当前的景区营销模式主要还是依托于最传统的手段和方法。“宣传基本靠嘴吼，营销基本靠腿走，好坏基本靠导游，卖票基本靠人手，交流基本靠喝酒，关系基本靠朋友”，是对当前景区营销手段的一种形象概括。营销渠道还是传统的游客——代理商——批发商——零售商——景区的模式。

互联网的发展和广泛使用为景区开创了全新的营销模式——数字营销，这是一种完全建立在互联网基础之上的景区营销模式。景区通过网络、多媒体手段（文字、图片、视频）向旅游者展示风景、设施、文化、活动等内容。旅游者通过旅游电子商务平台购买门票、预订酒店。景区利用电子邮件、留言板、呼叫中心等手段处理旅游者的建议、投诉、咨询、调查。即Show——Sale——Service的三S营销模式。

当前，政府行业管理部门已经将网络平台建设、电子商务、网络营销作为利用信息技术推动景区发展的重要手段，并提出了明确的要求。但相对旅行社和酒店，景区在信息化建设及网络营销方面还是裹足不前。问题主要集中在：网站内容简单枯燥、风格千篇一律、功能简陋单一、用户参与度低、服务意识落后、营销推广不足。景区网站找不到、不好看、没有用是普遍现象。总的来说，景区在旅游信息化建设方面尚处于摸索和发展阶段，还有一段很长的路要走。

发展数字化景区，应着重做好四方面的内容

首先，建立网络营销体系，景区网络营销的优势主要有

?细分市场，精准营销。与传统营销相比，通过互联网，可以准确的细分市场目标人群，客户是喜欢休闲还是探险，喜欢自驾车还是乘坐公共交通工具，喜欢自然风光还是喜欢历史人文，喜欢住宾馆还是露营等等。用户可以根据个人的兴趣和喜好定制个性化的服务；景区可以针对客户的不同需求和特点，采取有针对性的营销手段。

?信息丰富，表现形式多样。互联网可以提供海量的信息，信息的表现形式更是丰富多彩。通过新闻、论坛、博客、邮件等多种渠道，利用文字、图片、视频、游戏等多种展现形式，向客户提供各种旅游资讯信息和服务。

?不受时间、地域、语言的限制，全球营销。

?投资少，效果可以跟踪、量化。相对报纸、电台、电视等传统媒体，网络营销投资少，持续时间长，并且营销的效果可以通过技术手段进行有效地跟踪、量化和分析，帮助客户及时有效地整合营销方案，优化资源配置。

旅游信息大量充斥网络，因此关键不是信息的量，而是信息的质。当人的注意力成为了稀缺资源，网站信息的质量就成为网络营销成败的关键因素。衡量网站信息价值的重要指标包括：网站点击率、全球排名、网站内容的展……（未完）

六、虚拟制造技术在新型机电产品开发中的应用

随着科学技术的快速发展，消费者对机电产品除了必须满足其基本要求外，还对质量和外观造型有愈来愈高的期望。这就要求企业的开发人员根据市场需求，迅速地设计多品种、多规格的新产品。为适应快速变化的市场发展，20世纪80年代末期出现一种新的先进制造技术——虚拟制造技术。

机电产品的传统开发模式是一种线形阶段模式，产品开发过程是顺序过程，在设计早期不能全面地预见产品的可制造性、可装配性和质量可靠性、用户满意度等多种因素，从设计到样机制作需要反复修改完善，使产品开发的周期长、成本高，质量也难以达到最优。随着社会的不断进步和科学技术的快

速发展，人们对机电产品的要求已不再停留在可用的基础上，而是逐渐进入个性化的消费阶段。产品既要好用，外观造型、颜色等又要符合消费者个人的审美情趣，这就要求企业的开发人员根据市场的需求，很快地设计多品种、多规格、小批量的新产品，供消费者作多向选择。传统串行的设计与制造技术难以适应快速变化的市场要求，为解决制造业面临的问题，在20世纪80年代末期出现了一种新的先进制造技术－虚拟制造技术。

虚拟制造（Virtual Manufacturing）是虚拟现实（Virtual Reality）技术在制造业中的应用。它利用信息技术、仿真技术、计算机技术对现实制造活动中的人、物、信息及制造过程进行全面的仿真。虚拟制造技术应用於产品开发中，称为虚拟产品开发。现有的CAD/CAPP/CAM/CAE、ERP、PDM、SCM、CRM等制造系统模块，主要针对产品全生命周期某些阶段的解决方案，难以支持企业作为一个整体来获得更高的效率及更强的创新力，以及满足客户的多样化需求；而产品全生命周期管理系统（Product Lifecycle Management System，PLMS）提供了强有力的信息协同平台，将上述独立的子系统结合在一起，支持产品的创新设计与企业业务过程的协同运作。

PLMS的核心技术－面向产品全生命周期的虚拟产品开发，其内涵为：在产品设计阶段，充分考虑产品的性能要求、制造过程成本和市场销售等产品全生命周期（从需求分析、产品概念设计到产品报废）的所有因素，在计算机上实时、并行地动态模拟产品的几何建模、工艺设计、制造过程、生产管理、质量控制、应用维护等一系列活动。虚拟制造不会消耗现实资源和能量，所进行的制造过程是虚拟的，所生产的产品也是虚拟的，因而可以减少产品的投资风险，而且采用并行工程能更有效、更经济、更灵活地组织生产，以达到新产品的开发周期最短、成本最低、设计质量最优的目的。

面向产品全生命周期的虚拟产品创新和协同管理方案

面向产品全生命周期的虚拟开发系统，借助於并行工程管理策略和PDM集成技术，在设计产品时不仅考虑产品的功能和结构，而且考虑产品全生命周期的所有环节，如规划、设计、制造、营销、运行、使用、维护、服务、环保、回收等，以求产品的综合优化。虚拟产品开发过程中虽然存在局部串行现象，但从系统的整体来看，各模块又是并行作业。

面向产品全生命周期的虚拟产品创新和协同管理方案如图1所示。该方案打破了产品设计人员与生产制造人员、销售人员及产品最终使用者之间沟通的技术障碍，借助网络协同管理，使企业的产品创新能力获得极大提升。图中各功能模块依赖PDM进行产品数据集成，这里的集成包括两方面的含义：一是PDM与系统各工具软件的集成，二是各工具软件自身众多模块的集成。通过PDM集成系统的图形和文档数据、业务和经验数据、交流和沟通数据，使虚拟产品开发系统的各功能模块相互联系、相互依存、协同发挥、共享资源及并行工作，保证信息流在虚拟企业内外畅通无阻。

虚拟产品开发系统的关键技术

零件三维造型

零件三维造型是虚拟产品开发的核心内容，其进一步的应用是虚拟装配、动态过程仿真、图形数据处理、有限元分析和动画制作等。零件三维造型的方法有曲面造型、实体造型或实体曲面一体化混合造型等。目前，实体造型技术主要以参数化设计和面向特征设计为主。参数化设计是虚拟设计的重要方向，目前大多数CAD软件都提供这项功能，让用户方便地反复修改设计参数。此外，采用的“精确特征实体造型”技术抛弃了传统的体素拼合和交并差的繁琐方式，使整个设计过程更加直观、简单。大多数三维CAD软件都提供独立环境的曲面造型工具，可任意造型与编辑复杂曲面，并通过曲面和实体之间的相互配合，实现曲面裁剪实体、曲面生成实体、曲面约束实体等混合造型操作。

虚拟装配

在对部件或整机进行有限元分析或动态分析之前，要先对已完成造型设计的虚拟零件进行虚拟装配。虚拟装配是零件模型按约束关系进行重新定位的过程，它根据产品设计的形状特性及精度特性，真实地模拟产品的三维装配过程。常见装配方法有约束装配法（如共轴、平衡、重合、垂直等约束关系）和借助精确定位工具（如CAXA实体设计V2软件的三维球）进行无约束装配。装配完後一般进行干涉检查，以检验零件间有否发生干涉或超过了定义的间隙限制，虚拟装配直接影响後续的有限元分析和动态仿真的结果。

有限元分析

虚拟产品开发的目标是满足产品的性能要求、缩短产品周期及降低成本，这与性能优良的计算分析系统分不开。计算分析的目标包括：构件的受力分析（静力分析与动力学分析）、构件对失效的安全性、产品功能检测、外部影响的评价、通过轻型构件减少重量、优化材料等。有限元分析法是目前最重要及应用最广泛的计算机辅助分析方法。直接将产品的三维零件模型或经过降维等方法转换成有限元分析模型，依据数据交换标准传至CAE软件系统，就可进行有限元分析。

工艺设计

借助CAM、CAPP软件，确定已设计的零件工艺方案，主要内容包括：核准加工零件的尺寸、公差及精度等加工要求、设定毛坯、确定工件装卡方式、选择加工刀具、确定加工方法、确定加工工艺路线、设定工艺参数等。

仿真系统

借助CAM软件，根据所要加工工件的形状特点、不同的工艺要求和精度要求，灵活地选择各种加工方式和加工参数，快速生成、编辑所需要的刀具轨迹（即刀具的切削路径），并可通过CAM软件的几何仿真系统实时或快速地仿真刀具—工件几何体的运动，以验证生成的刀具轨迹是否正确和有否产生过切现象。

虚拟数控技术

通过CAM软件对已生成的刀具轨迹进行加工机床设置和後置处理，即按机床规定的格式进行定制，从而生成和特定机床相匹配的NC代码。虚拟数控技术就是借助数控加工仿真CNC软件，采用完全模拟真实机床的虚拟数控机床对NC代码的切削状态进行检验，用户可以生动地看到实时的加工过程仿真，以检验加工过程中刀具轨迹的正确性，以及刀具有否过切、刀具与夹具及机床有否碰撞等问题。较先进的虚拟CNC系统还可以进行力学仿真，通过切削过程的动态力学特性来预测刀具破损……（未完）

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