張?zhí)K寧，馬大力

(天津工業(yè)大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院,天津 300387)

隨著計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在制造系統(tǒng)中的應(yīng)用,產(chǎn)品制造過(guò)程中的信息化投入,已成為決定效益的主要因素[1]。虛擬制造是信息化的一個(gè)重要標(biāo)志, 其本質(zhì)是對(duì)實(shí)際制造進(jìn)行抽象、分析、綜合后得到產(chǎn)品全數(shù)字化模型來(lái)指導(dǎo)制造實(shí)踐[2],是建模與仿真技術(shù)對(duì)制造業(yè)的全方位改造,使制造技術(shù)發(fā)展到基于信息知識(shí)的全方位預(yù)報(bào)新階段[3-4]。目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)虛擬制造技術(shù)的研究主要集中在對(duì)工藝中某一流程與形變進(jìn)行仿真、工藝知識(shí)庫(kù)開(kāi)發(fā)[5-6]，其次應(yīng)用在不同企業(yè)制造中的設(shè)計(jì)、控制與生產(chǎn)三方面[7],多為汽車、航空企業(yè)的裝配過(guò)程模擬[8]。在服裝上目前的研究都是從制造策略宏觀角度出發(fā),分析虛擬制造技術(shù)概念及其應(yīng)用前景。虛擬制造技術(shù)應(yīng)用在服裝生產(chǎn)系統(tǒng)上的具體方法正處于研究探索階段,理論基礎(chǔ)和體系尚未形成。

當(dāng)下傳統(tǒng)服裝制造業(yè)要想與現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)聯(lián)合進(jìn)行信息化升級(jí),虛擬制造技術(shù)就是交匯點(diǎn)。服裝生產(chǎn)系統(tǒng)通過(guò)增加仿真模擬功能,為生產(chǎn)流程的各環(huán)節(jié)提供了支持與預(yù)判機(jī)制,從而縮短服裝新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期、改善傳統(tǒng)生產(chǎn)效率、增強(qiáng)企業(yè)的實(shí)力,最終帶動(dòng)服裝生產(chǎn)領(lǐng)域數(shù)字信息化改造。本文基于虛擬制造相關(guān)技術(shù),采用IWATA架構(gòu),對(duì)涉及服裝生產(chǎn)全流程的虛擬系統(tǒng)構(gòu)建進(jìn)行分析和研究,建立了系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)模型,健全了服裝虛擬生產(chǎn)系統(tǒng)構(gòu)造理論,對(duì)虛擬制造技術(shù)與服裝生產(chǎn)制造的結(jié)合與發(fā)展具有一定參考意義。

1 虛擬制造技術(shù)建設(shè)生產(chǎn)系統(tǒng)需求

1.1 工廠全部活動(dòng)集成

利用虛擬制造技術(shù)建立的服裝生產(chǎn)系統(tǒng)應(yīng)該提供一個(gè)服裝廠車間的公共數(shù)據(jù)庫(kù),其中存有工廠從設(shè)計(jì)到關(guān)閉的整生命周期中各種活動(dòng)數(shù)據(jù)。其中工廠生命周期包括：工廠規(guī)劃與建設(shè),工廠服役運(yùn)行,工廠退役。產(chǎn)品生命周期包括：產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、物料配套、生產(chǎn)制造、產(chǎn)品試驗(yàn)[9]。

全生命周期活動(dòng)的集成是基于虛擬制造和真實(shí)制造的連續(xù)性與虛擬生產(chǎn)系統(tǒng)活動(dòng)時(shí)間的正向或反向流動(dòng)性。

1.2 硬件、軟件、標(biāo)準(zhǔn)及人員信息的集成

在服裝虛擬生產(chǎn)系統(tǒng)中,仿真的輸入數(shù)據(jù)由其他軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)提供,虛擬制造系統(tǒng)只起了橋梁的作用,是信息互通的公有平臺(tái),因此需要為各種信息資源提供語(yǔ)義水平的端口集成,服裝生產(chǎn)制造資源集成如圖1所示。

圖1 服裝生產(chǎn)制造資源集成

1.3 現(xiàn)實(shí)資源與虛擬資源的集成

虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界各自的信息資源是同源的,可以通過(guò)多種方式連接2種系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)虛擬制造系統(tǒng)與真實(shí)制造系統(tǒng)間的信息交換。

在服裝設(shè)計(jì)及生產(chǎn)時(shí),可以將虛擬設(shè)備與真實(shí)存在的設(shè)備結(jié)合起來(lái),接受車間的數(shù)據(jù),并對(duì)其進(jìn)行翻譯解釋,隨時(shí)展現(xiàn)車間的實(shí)時(shí)狀態(tài)并向操作者和管理人員提供車間的集成映像,作為對(duì)已有真實(shí)制造設(shè)備的信息補(bǔ)充。虛擬制造技術(shù)利用集成功能與生產(chǎn)系統(tǒng)掛接,使制造和信息技術(shù)相互溝通。

2 服裝虛擬生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 結(jié)構(gòu)功能等價(jià)性

控制機(jī)制與響應(yīng)機(jī)制在服裝虛擬生產(chǎn)系統(tǒng)與真實(shí)生產(chǎn)系統(tǒng)間是功能同一的。服裝虛擬生產(chǎn)系統(tǒng)應(yīng)具有語(yǔ)義統(tǒng)一性、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和響應(yīng)迅速性。但這3個(gè)屬性通常是彼此制約的關(guān)系:因?yàn)閿?shù)據(jù)越準(zhǔn)確,虛擬系統(tǒng)才能與真實(shí)系統(tǒng)更吻合，以達(dá)到準(zhǔn)確地指導(dǎo)現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)的目的,所以需要數(shù)據(jù)精度不斷提高,進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)的仿真要求就更加嚴(yán)格,但越高精度的語(yǔ)義表達(dá)才能讓系統(tǒng)仿真運(yùn)作越行之有效,這些無(wú)疑又增加了系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。

在特定環(huán)境中想要達(dá)到準(zhǔn)確與效率的平衡需要一個(gè)合適的接洽點(diǎn)。

2.2 結(jié)構(gòu)類似性

當(dāng)使用對(duì)象和開(kāi)發(fā)人員對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定義、修改或操作時(shí),虛擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與真實(shí)系統(tǒng)相似則會(huì)為操作過(guò)程帶來(lái)便利。但同時(shí)虛擬系統(tǒng)又是真實(shí)系統(tǒng)的抽象概括,用以簡(jiǎn)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),使系統(tǒng)具有較大的應(yīng)用空間,因此系統(tǒng)具有與實(shí)際環(huán)境的無(wú)關(guān)性。

2.3 結(jié)構(gòu)重用性與自由度

服裝虛擬生產(chǎn)系統(tǒng)并不是單一的應(yīng)用系統(tǒng),而是為開(kāi)發(fā)集成綜合應(yīng)用提供的平臺(tái),應(yīng)該和服裝CAD、CAM、虛擬仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)、信息網(wǎng)絡(luò)、人工智能等服裝生產(chǎn)先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)逐步擴(kuò)展互通,同時(shí)系統(tǒng)軟硬件也具有很高的拆組自由度。因此服裝虛擬生產(chǎn)結(jié)構(gòu)模塊和系統(tǒng)內(nèi)模型應(yīng)具有高重用性與可編輯性,以提高系統(tǒng)的自由度和生產(chǎn)柔性。

2.4 動(dòng)態(tài)工作開(kāi)發(fā)協(xié)同性

服裝虛擬生產(chǎn)系統(tǒng)常常要處理大量的實(shí)體仿真,使用不同網(wǎng)址上的大量數(shù)據(jù)、知識(shí)和資源信息。因此在分布式環(huán)境下進(jìn)行虛擬并行運(yùn)作,已成為虛擬生產(chǎn)系統(tǒng)的必備條件。

虛擬生產(chǎn)系統(tǒng)用于不同工作地的體系結(jié)構(gòu)各不相同,虛擬服裝生產(chǎn)系統(tǒng)要想達(dá)到全流程活動(dòng)集成目的,包括設(shè)計(jì)、縫制加工、整燙、車間調(diào)度、成品檢驗(yàn)等環(huán)節(jié)的并行運(yùn)作,則必須有一個(gè)合理的體系結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)需符合服裝生產(chǎn)離散分布特性下的協(xié)同工作方式,體現(xiàn)制造活動(dòng)中的資源與活動(dòng)的層次化傳遞過(guò)程和“即插即用”的開(kāi)放式端口。

2.5 體系結(jié)構(gòu)模型

基于虛擬制造技術(shù)的服裝生產(chǎn)系統(tǒng)需要各種信息與活動(dòng)的集成,因此在服裝虛擬生產(chǎn)系統(tǒng)中,服裝制造車間現(xiàn)場(chǎng)制造設(shè)備、虛擬制造系統(tǒng)縱向各系統(tǒng)層級(jí)與現(xiàn)實(shí)設(shè)備使用者采用IWATA[10]結(jié)構(gòu)進(jìn)行集成。IWATA體系比較全面地分析了一個(gè)企業(yè)或車間內(nèi)的制造活動(dòng)和數(shù)據(jù)模型,其集成性較強(qiáng)[11],可以集成多種內(nèi)部及外部系統(tǒng),IWATA體系結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)IWATA體系結(jié)構(gòu)模型

系統(tǒng)由時(shí)間控制器實(shí)現(xiàn)同步,VIS(虛擬信息系統(tǒng))和VPS(虛擬物理系統(tǒng))通過(guò)通信端口進(jìn)行通信活動(dòng)。系統(tǒng)通過(guò)瀏覽器和虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備向用戶提供輸入、輸出接口。VPS里的服裝產(chǎn)品模型是生產(chǎn)過(guò)程中成品和階段性半成品模型,工廠模型是生產(chǎn)活動(dòng)中的階段性生產(chǎn)資源與設(shè)備層次模型[12],服裝產(chǎn)品模型與工廠模型相互作用組合成生產(chǎn)過(guò)程模型。

3 服裝虛擬生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)

3.1 建立數(shù)據(jù)庫(kù)

數(shù)據(jù)庫(kù)是“按照數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)組織、存儲(chǔ)和管理數(shù)據(jù)的倉(cāng)庫(kù)”[13]。服裝虛擬生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)主要錄入服裝的加工工藝,對(duì)服裝的工藝結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類定義,分為款式類、資源類和工藝類?？钍筋愪浫胍缕?、輔料、衣身的數(shù)據(jù)等服裝自身屬性信息；資源類錄入生產(chǎn)設(shè)備、作業(yè)人員、作業(yè)車間、作業(yè)調(diào)度等加工特定款式服裝的制造資源數(shù)據(jù)；工藝類錄入工藝步驟、問(wèn)題反饋、產(chǎn)品檢驗(yàn)等具體加工方法和產(chǎn)品質(zhì)量控制的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)根據(jù)服裝企業(yè)實(shí)際需求與生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)服裝數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模板按照一定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)定義?？钍蕉x服裝產(chǎn)品自有屬性,資源定義服裝企業(yè)現(xiàn)有資源數(shù)種和資源結(jié)構(gòu),工藝定義特定款式類所屬工藝規(guī)程的操縱對(duì)象。

在服裝虛擬生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)中導(dǎo)入多種類3D模型有助于快速進(jìn)行流水線的虛擬仿真。

3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)的錄入

數(shù)據(jù)的錄入方式是通過(guò)信息資源模型或數(shù)據(jù)庫(kù)表[14]通過(guò)腳本程序?qū)懭搿？钍筋愋畔⑼ㄟ^(guò)PLM(產(chǎn)品生命周期軟件)的數(shù)據(jù)信息導(dǎo)入信息建模軟件,進(jìn)而通過(guò)對(duì)應(yīng)接口利用腳本程序?qū)懭霐?shù)據(jù)庫(kù)對(duì)應(yīng)模塊中；資源和工藝數(shù)據(jù)按照規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建服裝資源工藝信息模板,通過(guò)腳本程序?qū)懭霐?shù)據(jù)庫(kù)中。服裝工藝資源模板可作為開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品的開(kāi)放式原型,基于原型進(jìn)行二次設(shè)計(jì)可以更加高效地開(kāi)發(fā)新的服裝產(chǎn)品,同時(shí)新產(chǎn)品的數(shù)據(jù)符合原有規(guī)則，即可快速地寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)中。

4 服裝虛擬生產(chǎn)系統(tǒng)模型

4.1 IWATA建模仿真結(jié)構(gòu)

建立模型進(jìn)行虛擬仿真是實(shí)現(xiàn)服裝虛擬生產(chǎn)的關(guān)鍵,除了要對(duì)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)制造過(guò)程進(jìn)行建模與仿真外,還要根據(jù)產(chǎn)品的變化對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)的重組和運(yùn)行進(jìn)行仿真[15]。系統(tǒng)主要對(duì)服裝產(chǎn)品、過(guò)程和設(shè)備資源3部分進(jìn)行建模。

生產(chǎn)設(shè)備的建模與仿真問(wèn)題屬多物理域的建模與仿真[16]。服裝生產(chǎn)設(shè)備模型準(zhǔn)備,根據(jù)真實(shí)設(shè)備的規(guī)格和參數(shù)建立設(shè)備模型庫(kù)。面向?qū)ο蠼７椒ㄊ嵌x高度模塊化生產(chǎn)模型最有效的方法。設(shè)備模型定義中還要用到仿真服務(wù)模塊,用以定義設(shè)備行為；服務(wù)開(kāi)發(fā)模塊定義設(shè)備模型間的相互作用以及仿真過(guò)程的基本功能。其對(duì)于有效地開(kāi)發(fā)虛擬系統(tǒng)是十分重要的；虛擬車間運(yùn)用三維建模軟件對(duì)車間設(shè)備、物料等生產(chǎn)要素進(jìn)行三維建模,采用虛擬現(xiàn)實(shí)引擎進(jìn)行虛擬車間的渲染與交互動(dòng)作建模,最后運(yùn)用數(shù)據(jù)交互技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)同步[17],可以用設(shè)備庫(kù)和服務(wù)開(kāi)發(fā)模塊進(jìn)行定義,首先用設(shè)備模型庫(kù)中的對(duì)象類定義創(chuàng)建車間對(duì)象模型,并制定對(duì)象的位置,然后與響應(yīng)的仿真服務(wù)建立關(guān)聯(lián)；操作定義模塊用以確定車間資源的流水線調(diào)度規(guī)劃,并產(chǎn)生響應(yīng)控制命令和控制程序；產(chǎn)品模型模塊可提供產(chǎn)品數(shù)據(jù)；虛擬車間仿真功能模塊執(zhí)行服裝流水線仿真任務(wù),其是上述設(shè)備模型、仿真服務(wù)模型、操作程序和服裝產(chǎn)品信息的集成。仿真模塊是虛擬制造系統(tǒng)與用戶連接系統(tǒng)及真實(shí)設(shè)備的接口,用以進(jìn)行生產(chǎn)過(guò)程柔性仿真,服裝虛擬生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖3。

圖3 IWATA建模與仿真體系結(jié)構(gòu)

4.2 系統(tǒng)模型建立層級(jí)

在服裝生產(chǎn)中,每種款式都具有其各自的工序,各自的制造單元(流水線)編排。對(duì)服裝虛擬生產(chǎn)系統(tǒng)中不同款式服裝的全部信息進(jìn)行逐級(jí)拆解,找到有基礎(chǔ)屬性的信息模型,利用信息模型構(gòu)成一級(jí)知識(shí)單元,由基礎(chǔ)模型逐級(jí)成立建模層級(jí)結(jié)構(gòu)。

服裝虛擬生產(chǎn)系統(tǒng)模型可以分為3層：基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模型、過(guò)程模型和生產(chǎn)環(huán)境模型?；A(chǔ)模型構(gòu)造用以描述制造過(guò)程及服裝的基礎(chǔ)模型構(gòu)造方法,代表生產(chǎn)線中的物理實(shí)體,包括裁片模型、服裝部件模型和生產(chǎn)設(shè)備模型。

過(guò)程模型是活動(dòng)關(guān)系的集合,服裝生產(chǎn)制造過(guò)程是由各種活動(dòng)描述的,活動(dòng)模型代表人及真實(shí)系統(tǒng)的活動(dòng),這些活動(dòng)模型有逐級(jí)分解,逐步求精的特點(diǎn),單元活動(dòng)模型為構(gòu)建制造單元模型(生產(chǎn)線)提供基礎(chǔ)。

環(huán)境模型是配置和控制的組合,虛擬車間的設(shè)備布局由設(shè)備配置模型組成,其中具體進(jìn)行的工序調(diào)度與作業(yè)過(guò)程由行為控制模型決定。虛擬環(huán)境模型采用層次樹(shù)結(jié)構(gòu)搭建,利用包圍體層次樹(shù)算法進(jìn)行組織[18],以虛擬工廠和車間包括墻壁地板等環(huán)境為基底,其他設(shè)備均為層次樹(shù)上的支節(jié)點(diǎn)。環(huán)境模型具有重構(gòu)性,基于已定標(biāo)準(zhǔn)的定量評(píng)價(jià),可以對(duì)布局模型進(jìn)行優(yōu)化重組以達(dá)到合理布局的目的。

虛擬制造過(guò)程模型通過(guò)基礎(chǔ)模型構(gòu)建各種生產(chǎn)環(huán)境活動(dòng)模塊,實(shí)現(xiàn)制造活動(dòng)的柔性化,柔性生產(chǎn)是服裝制造業(yè)創(chuàng)新轉(zhuǎn)型的必要方向[19]。服裝虛擬生產(chǎn)系統(tǒng)建模層次結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖4 服裝虛擬生產(chǎn)系統(tǒng)建模層級(jí)結(jié)構(gòu)

4.3 面向?qū)ο蟮姆b信息建模

面向?qū)ο蟮漠a(chǎn)品建模是目前虛擬制造系統(tǒng)中主要采用的建模方法，其中服裝信息模型用來(lái)進(jìn)行半成品及成品服裝的描述。服裝信息建模就是要確定服裝的定義和表達(dá)方式,是進(jìn)行虛擬制造建模的前提[20]。

4.3.1 產(chǎn)品類關(guān)聯(lián)模型

采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)建立以服裝產(chǎn)品為中心的類關(guān)聯(lián)模型從而建立服裝信息間的邏輯關(guān)系,這是構(gòu)成產(chǎn)品信息模型的基礎(chǔ),產(chǎn)品類關(guān)聯(lián)模型見(jiàn)圖5。

圖5 產(chǎn)品類關(guān)聯(lián)模型

產(chǎn)品類關(guān)聯(lián)模型包括裁片類、部件類和成衣類依次組成遞階式的整體與部分類多對(duì)一的關(guān)聯(lián)關(guān)系；工藝規(guī)程類和工序類組成一對(duì)多的整體與部分類的關(guān)系；工序類中的設(shè)備類通過(guò)“使用”與工序組成實(shí)例連接關(guān)系；零件類和工藝規(guī)程類,特征類之間由“具有”組成實(shí)例關(guān)系。

4.3.2 產(chǎn)品信息模型

產(chǎn)品類和部件類的屬性主要是靜態(tài)屬性。零件類是部件類的子類,作為貫穿生命周期全過(guò)程的信息數(shù)據(jù)模型,其不僅包括靜態(tài)信息,還包括動(dòng)態(tài)信息。靜態(tài)信息可以用管理信息、款式信息、結(jié)構(gòu)信息、面料信息、工藝信息5類進(jìn)行分析和推理,進(jìn)而得出服裝加工工藝方案。零件類的動(dòng)態(tài)信息應(yīng)包括制造過(guò)程中的半成品形狀,IWATA體系中的狀態(tài)建模子系統(tǒng)用思維對(duì)象描述加工過(guò)程中的裁片屬性,包括：三維實(shí)體模型、時(shí)間2組屬性值,服裝產(chǎn)品信息模型見(jiàn)圖6。

圖6 產(chǎn)品信息模型

5 系統(tǒng)的仿真方法

服裝生產(chǎn)虛擬系統(tǒng)可以利用3DMAX作為建模工具,建立系統(tǒng)所需模型,選用DirectX作為圖形庫(kù)進(jìn)行服裝虛擬生產(chǎn)系統(tǒng)加工環(huán)境建模,進(jìn)一步輸出得到模型的VRML格式文件,以VC為開(kāi)發(fā)工具,利用不同模型導(dǎo)入FlexSim(數(shù)字虛擬仿真系統(tǒng))實(shí)現(xiàn)系列生產(chǎn)單元的快速仿真。

6 結(jié)束語(yǔ)

虛擬制造技術(shù)在服裝生產(chǎn)系統(tǒng)上的應(yīng)用是一個(gè)多學(xué)科交叉應(yīng)用的過(guò)程,是一種全部生產(chǎn)信息的數(shù)字化集成手段,具有從服裝設(shè)計(jì)到制造全過(guò)程的可視化、交互式仿真環(huán)境,是建模與仿真技術(shù)對(duì)服裝制造業(yè)的全方位改造。本文研究了系統(tǒng)的功能需求,建立了虛擬生產(chǎn)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)與建模仿真體系結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了服裝產(chǎn)品信息模型,提出一套虛擬產(chǎn)品、設(shè)備與環(huán)境的建模方法和生產(chǎn)線仿真方式,同時(shí)研究了系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù),對(duì)服裝虛擬生產(chǎn)系統(tǒng)整體搭建的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析,為服裝虛擬制造的發(fā)展提供了參考模式。