基于XVL技术的汽车行业大规模定制生产系统开发与应用可行性分析报告.docx
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基于XVL技术的汽车行业大规模定制生产系统开发与应用可行性分析报告
2004年沈阳市科技计划项目可行性研究报告
项目名称：
基于XVL技术的汽车行业大规模定制生产系统开发与应用
申请单位：
沈阳通大信息技术有限公司
东北大学机械工程与自动化学院
2004年2月
一.申请单位基本情况
1.申请单位和协作单位概况
（1）申请单位：
沈阳通大信息技术有限公司
沈阳通大信息技术有限公司是以软件研发为核心业务，集软件开发、系统集成、技术咨询与培训为一体的IT企业。
公司拥有各类专业技术人员60余人，其中90%的公司员工为大学本科以上学历，海外留学归国人员占10%。
除沈阳本部外，公司还投资组建了中日合资企业和日本办事处。
沈阳通大信息技术有限公司的研发团队采用先进的开发流程，在CAD、VBA、E-GATE、VB、VC++、Java、Delphi等多种开发语言上具有丰富的实际经验，并且能够在多种主流的数据库（SQLSERVER、ORACLE等）、操作系统平台（WINDOWS、LINUX等）上开发出各类应用系统。
目前，沈阳通大信息技术有限公司90%的业务为对日的软件出口，10%的业务为承担国家的科研项目和新技术的应用与推广。
业务的主要内容集中在GIS（CAD、VBA、MAPINFO）、JAVA技术、嵌入式软件、数据库和E-GATE等领域。
企业业务增长十分迅速。
沈阳通大信息技术有限公司拥有完善的组织管理体系和严格的企业管理制度，科研设备完备、优质的工作环境。
一方面，通过具有资深行业经验各类管理和技术人才，在提供行业解决方案的过程中，运用先进和成熟的管理经验为客户提供基于信息技术的价值提案，帮助客户获取竞争优势。
另一方面，通过技术创新和新产品开发，不断推动地区经济的繁荣，企业也获得持续性发展。
沈阳通大信息技术有限公司每年将企业年销售收入的15%，投入到科研开发领域，为企业保持强大的技术和产品优势提供充分的资源保障。
（2）协作单位：
东北大学机械工程与自动化学院（辽宁省CAD/CAM工程技术中心）
东北大学是一所综合性大学。
其在产品设计及计算机技术领域在国内是非常有影响的。
具体参加项目的单位是辽宁省CAD/CAM工程技术中心设在东北大学机械工程与自动化学院，是在原“辽宁省CAD应用发展中心”的基础上发展、扩充而成的。
中心现有在岗人员30名，其中博士生导师5名，教授8名，副教授15名，高级工程师1名。
中心还有兼职人员，其中：
教授3名，副教授6名，高级工程师6名。
中心每年有博士后，博士生和硕士研究生等30余人。
每年还接待国内外访问学者进中心进行研究工作。
中心的主要研究方向为CAD/CAM基础理论及应用、企业信息化、先进制造技术（包括工业机器人、智能医疗设备等）、并行工程理论与方法、面向工程产品的广义优化方法、计算机模拟、智能工程等。
在高新技术产品开发方面承担各类产品的CAD系统、CAD/CAM集成系统、工程分析系统、图形生成系统、CAPP系统、数控系统、产品数据管理系统、企业级生产管理系统及企业信息化软件系统、工业机器人等的开发研究工作。
中心承担和完成了多个工程项目，其中包括企业CIMS总体方案设计及具体实施、网络工程、CAD/CAM集成、PDM、数控系统国产化、消化吸收国外CAD/CAM软件产品，高技术含量数控机床产品，工业机器人开发等。
近年来中心发表学术论文40余篇，特别是现代设计方法、先进制造技术、基于并行工程的产品模型等方面的研究已取得了一定进展。
“九五”期间承担了国家重大科技项目2项、国家863课题4项，国家及省部基金项目13项，国际合作项目4项，并且出版了5本CAD/CAM方面的著作。
在软件开发方面主要开发了计算机辅助阀门设计系统、计算机辅助机械产品设计基础环境、产品数据管理系统、企业生产管理系统、企业进销存系统、回转体零件CAPP系统、机床齿轮CAPP系统、生产计划管理系统等等。
承担的工程项目有：
沈阳电机股份有限公司CIMS工程、沈阳模具厂CAD/CAM集成系统实施及应用、套管计算机辅助测控系统的研制、汽车启动机参数测试系统研制等。
在3维数字化设计及集成设计取得了许多成果，开发了产品数据管理系统，特别在装备制造业产品设计与开发上有较丰富的经验，这一切都为开展本项目研究工作奠定了基础。
2.项目的组织形式和详细分工，以及项目的组织管理及相关保障措施
（3）项目领导组织机构
为了保证项目执行，要求建立项目领导组织结构，明确各成员的职能。
项目组织机构建立要求如下表：
项目机构
角色
成员
责任
项
目
领
导
小
组
组长
沈阳通大信息有限公司贾辉博士
●项目总体目标的确定。
●项目总体目标执行控制。
●涉及到系统建设中重大问题的协调、决策。
●参与项目需求最终确认、项目总体验收。
副组长
东北大学机械工程与自动化学院刘永贤教授
●项目总体计划的执行。
●解决项目执行中出现的问题。
●组织阶段评审、项目验收。
●审核项目计划、实施方案、实施计划。
总联络
沈阳通大信息有限公司李志彬
●负责各单位调研联络工作。
●协调和制定调研和开发计划。
（4）项目开发组织机构
根据ISO9001项目管理要求及软件工程的要求，建立项目开发组织机构。
项目机构
小组/角色
责任
项
目
管
理
平台工程组
负责服务器、网络、数据库、系统软件等平台工作。
质量保证组
评审和审计集成和软件产品和活动以验证它们符合适用的规程和标准，给项目和其它有关的经理提供这些评审和审计的结果。
制定SQA计划，评审软件开发计划、标准和规程、软件工程活动和软件工作产品，向高级管理者报告。
项目监控与跟踪，定期参与开发计划评审，成本核算管理。
执行SQA计划，参加评审软件开发计划，标准和规程，软件工程活动，软件工作产品，鉴别偏差建立文档并加以处理，向软件工程组报告结果。
软
件
工
程
组
项目软件经理
开发计划编制评审分配需求和软件开发计划参与软件工程内部的定期审核，对照软件开发计划跟踪技术进展、性能和问题项，与有关人员共同解决审核中出现的问题项。
开发人员
负责开发、实施、培训、维护工作。
系统测试组
测试大纲编制；确认软件产品是否满足对它的要求。
测试用例和测试规程由独立于开发者的测试组进行规划和准备，协商分配需求引起的约定；
配置组
评审软件开发计划，软件活动和工作产品，制定SCM计划，软件基线库的构造和管理，系统地控制基线的修改。
文档管理
按照ISO9001质量体系文件的要求，管理文档及版本。
3.项目负责人背景资料及主要参加人员；
（5）项目组组长
贾辉，男，日本东北大学工学博士学位，东北大学副教授。
主要教育经历：
●中国东北大学机械工程学士；
●中国东北大学管理工程硕士；
●日本东北大学信息科学工程学博士；
主要工作经历：
●1986/7～1990/11东北大学教师；
●1996/4～2000/3日本JCD公司高级职员，软件项目管理；
●2000/4～2002/9东软集团国际业务总监；
●2002/9～2003/8辽宁凯夫集团总裁;
●2003/8～沈阳通大信息技术有限公司董事长兼总裁
主要社会兼职：
●辽宁省经济文化发展促进会理事
●日本软件开发管理学会会员
●日本软件开发项目管理学会会员
●日本东北大学客座研究员
●中国ITS专家组成员
●东北大学副教授
主要工作业绩：
●1988～1990主持机电产品库存控制MRP系统的开发；
●1988～1990主持鞍钢库存管理系统的开发与研究；
●1994～1996主持经济模拟仿真系统的研究；
●1996～1998主持利用ITS技术对交通系统实施智能化管理的研究与开发；
●2000～2002主持汽车导航系统（第三代）研制与开发；
●2000～2002组织策划了CMM（软件成熟度模型）在中国软件企业的首次推广认证；
●2002～2003主持开发了应用于日本金融系统的基干系统的开发与应用；
（6）项目组副组长
刘永贤，东北大学，教授，博士生导师，男，1945年12月23日出生，工学硕士学位。
1969至现在，在东北大学历任助教，讲师，副教授和教授。
现任东北大学先进制造与自动化研究所付所长。
辽宁省CAD/CAM工程技术中心付主任兼总工程师，辽宁省机械工程学会设计分会CAD专业委员会副主任，全国冶金系统CAD/CAM学术委员会副主任，全国CAD应用工程专家委员会成员，全国CAD年度报告专家委员会成员，辽宁省CAD应用工程专家组副组长，辽宁省企业信息化专家。
研究方向：
产品设计自动化（现代CAD）理论及应用，CAD/CAM集成技术及理论，制造业企业信息化技术，CIMS建摸及集成技术，产品建摸及数据管理等。
主要研究成果：
◆“计算机辅助阀门设计”,1995年获冶金部和沈阳市科技进步奖；
◆“CAD技术应用及开发”,1992-1995年国家八五国家重点攻关课题国家科委1996年鉴定,课题负责人；
◆“辽宁省CAD应用工程技术开发及示范”,1997-2000年国家九五重点攻关课题,课题负责人,获辽宁省科学技术一等奖；
◆“SD-CIMS”，国家863课题1998-2000国家科技部2000年鉴定课题负责人获辽宁省科学技术三等奖；
◆“机械产品大批量定制支持系统框架研究”，国家863项目2001-2003年，已验收；
◆“面向并行工程基于特征的产品信息模型研究”，辽宁省自然科学基金1998-2000年课题负责人，已验收；
◆“沈阳市CAD应用与示范”，沈阳市重点攻关课题，1998-2000，课题负责人，已验收；
◆“CAD/CAM集成关键技术研究”，沈阳市重点攻关课题，1998-2001，课题负责人，已验收；
◆“计算机辅助机械产品设计基础环境”，94-96辽宁省重大成果推广项目，课题负责人；
◆“制造业企业信息化集承平台构成”，辽宁省重大攻关项目2001-2003年；
开发的产品有：
计算机辅助锅炉设计系统，计算机辅助气动系统设计，计算机辅助阀门设计系统，CIMS环境下企业生产管理系统、销售系统、产品数据管理系统、CAPP系统、供应系统、图形转换系统、车间生产调度系统等。
（7）项目组主要成员
序号
姓名
单位
职称
学历
分工
1
李奎贤
东北大学
副教授
博士
技术研发
2
郝丽娜
东北大学
讲师
博士
技术研发
3
许之伟
东北大学
讲师
博士
技术研发
4
盛中起
东北大学
讲师
博士
技术研发
5
王棋
东北大学
讲师
博士
技术研发
6
徐洪学
东北大学
博士
技术研发
7
谢文君
沈阳通大信息技术有限公司
工程师
本科
技术研发
8
赵征
沈阳通大信息技术有限公司
工程师
硕士
技术研发
9
叶毅源
沈阳通大信息技术有限公司
工程师
硕士
技术研发
其中沈阳通大信息技术有限公司的谢文君、赵征、叶毅源，均为留日归国人员，在技术研发、项目管理等专业领域有多年的海外工作经验。
二.
项目基本情况
4.项目的总体目标
基于XVL的三维可视化汽车行业大规模定制生产系统达到的目标:
（8）汽车厂商快速响应客户的个性化要求
让客户积极地参与到产品设计制造过程中来,客户可以在网上观察定制的三维汽车模型。
基于3D可视模型提出定制自己的个性化要求。
客户的个性化需求，在动态变型产品的基础上，用户参与设计，进行快速配置，可得到一个满足顾客个性化需求的具体产品，实现按用户要求快速组织设计和生产。
（9）汽车厂商与零配件供应商之间的高效协作
系统将基于三维实体模型与供应商之间紧密协作,设计人员可以以三维模型从供应商那里多种多样的标准零配件中进行选择，完成产品设计和零配件设计。
（10）与PDM的集成
产品设计过程中的数据一般由企业的PDM系统进行管理,因此,大批量定制生产模式下的设计过程需要与PDM紧密集成。
（11）实现基于XVL的三维可视化汽车行业大规模定制生产系统与CAD、CAM、PDM、CAPP、ERP等应用系统的全面集成。
基于3维的可视化模型实现设计、生产和管理信息共享，并用三维模型装配工艺指导现场生产。
进而有效地解决了汽车大批量生产的低成本、短交货期与定制生产的高成本、长生产周期的统一问题。
5.项目主要攻关点
（12）基于XVL的三维可视化汽车行业大规模生产的定制系统框架结构
定制系统主要是完成客户需求的获取与管理、网络化产品结构配置。
其中客户需求管理实现对客户需求的收集、分析,根据客户和市场需求形成对产品完善的定义。
在企业内部实现企业内部基于3维设计、生产、管理，构造这样的一个系统结构来完成总的目标。
系统框架结构图
（13）面向大规模定制生产的汽车产品族信息模型的建立
包括产品族的三个方面:
结构视图、原理视图和功能视图,不同的视图适用于企业不同的部门和不同设计阶段,基于产品族的开发被认为是一种支持大规模定制生产的有效方法。
在整个产品开发过程中,采用并行流程围绕产品族进行设计,针对一个产品族构造一个产品模型,该产品模型应当是一个可以覆盖产品族中既定型号和规格变化的动态模型。
在得到产品定单后,根据定单的需求在产品模型的基础上进行实例化设计,就可以快速得到满足客户需求的产品。
（14）基于产品族信息模型的产品配置管理
产品族信息模型是企业在快速变型设计阶段进行产品配置的基础。
不同客户有不同的配置要求,用户可以在产品族信息模型的基础上,利用变量配置、版本配置和有效性配置等配置约束中的一种或几种从不同的角度配置产品,得到所需要的产品对象的子模型。
基于产品族信息模型的产品配置管理,能够使企业的各个部门根据客户的需求,在产品的整个生命周期中共享统一的产品配置,并且对应不同阶段的产品定义,生成相应的产品配置视图。
产品配置信息是生产制造的原始依据,在生产制造过程中,设计、制造、物资供应等不同部门可以根据相应的配置视图,制订产品的设计、生产和物料采购等计划,以确保在最短的时间内开发和生产出客户需要的产品。
（15）产品族数据管理
PDM技术是成功实现大规模定制生产的关键技术之一.但面向大规模生产的PDM技术是建立在企业标准化资源基础上的产品族数据管理,因此必须能覆盖产品族模型的三视图:
功能模型、原理模型、结构模型.另外,产品族的基本模块以规范化的企业资源为基础,产品族与企业资源之间具有引用关联关系.面向大规模定制的产品族数据管理除具有产品数据管理应有的功能外,还有以下特点:
●能反映产品族及其构造单元的功能、原理、结构的映射；
●能进行产品族及其构造单元的事物特性表（包括几何与非几何）的管理；
●支持基于产品族的产品配置设计；
●能反映资源与产品族的对应关系；
（16）产品族的评价系统
产品族的评价系统是对产品族中所有产品进行综合评测的部分,评测内容主要包括构造产品族的灵活性、经济性和技术性。
对不能满足设计要求的产品族系列,应当提出修改建议。
评价系统主要包括
（1）灵活性评价
（2）经济性评价（3）技术性评价
6.项目主要技术难点和创新点
（17）主要技术难点
1）面向大规模定制生产的汽车产品族信息模型的建立及面向产品簇的设计
实现基于XVL的三维可视化汽车行业大规模定制生产的基础是面向产品簇的设计，面向产品簇的设计指设计过程中通过对已有大量顾客需求，结合预测的需求分析，不仅仅考虑一种产品的设计实现，而是结合产品簇中拟采用的定制方法提取变型参数，同时对一簇产品进行的方法，其设计结果形成可变型的产品模型，在快速变型设计阶段进行配置。
产品簇模型是实现大规模定制的关键，利用成组技术，可对企业的产品分类，进行特征建模，建立企业产品簇库。
大批量定制生产是一种先进的制造哲理,是产品族设计的实现目标,而基于产品平台的产品族设计是实现大批量定制生产的有效途径,二者相辅相成,相互推动。
大批量定制生产与产品族的关系图
汽车行业大规模定制生产的产品族设计过程图
2）零部件的标准化与规范化
通过对零部件的标准化和规范化，企业内部的零部件数量和种类数减少，零件分布日趋合理，在定制产品中标准件的比例得到提高，零部件的重用性得到提高，从而提高定制效率、保证定制质量、降低定制成本。
利用成组技术，制定统一的、科学的、完善的零部件编码体系，对零部件信息建模，建立企业零部件库。
⏹产品的标准化和规范化——产品的标准化和规范化是有效支持企业实现客户定制的基础,是企业制造能否实现批量生产的基础,其程度的高低极大地影响着企业的市场响应速度、产品的质量和成本。
通过上述过程建立企业产品结构模型,从而支持客户个性化需求的配置设计。
⏹参数化标准件库——参数化标准件库是支持产品快速开发设计的基础数据。
在产品标准化和规范化的基础上,针对在设计中常用的零部件建立参数化标准件库。
3）实现基于XVL的客户的管理
客户基于三维参与设计和生产，需要在用户面前呈现三维产品模型，并且具有动态装配功能，在此基础上反馈客户意见和要求。
（18）技术创新点
1）采用XVL技术作为3D造型底层技术，实现全WEB3D化大规模定制生产的系统环境
目前，利用多边形造型技术的VRML和X3D正面临着同样的问题：
复杂的3D数据（如，CAD/CAM文件）在INTERNET上传输。
高质量的图形细节形成了数据量巨大的图形文件，使之在现有的INTERNET网络上很难传输。
为了提高传输的速度，对文件的压缩又不得不在图形的精度和细节上做出牺牲。
所谓的XVL（ExtensibleVirtualWorldDescriptionLanguage）就是将数据尺寸容易变大的3D数据变成最大数百分之一以下的轻量化、从而达到在互联网环境中可以活用。
具有以下技术创新点：
⏹精度与轻量化
XVL采用单纯的形状表示圆滑的曲面的Lattice构造为基础。
所谓Lattice构造是将由多个多边形构成的多边形图廓由Lattice网格进行定义、通过控制格子、可以令自由曲面发生变形，通过Gregory进行内插曲面转换得到圆滑曲面的处理方法。
IGES、Parasolid等的一般的CAD中应用的中间文件及CATIA、I-DEAS等的3DCAD数据、VRML数据等，伴随工业产品的高度复杂化、软件系统生成的3D数据达到数百兆的文件大小也是很平常的。
将如此巨大的3D数据通过英特网环境，为企业的大规模定制生产服务几乎是不可能的。
我们在对一些企业的实际调查中发现，对3D数据的需求十分普遍，但网络传输流量的制约是阻碍3D数据被跨职能、跨部门、跨企业灵活运用的最大阻力，因此，对3D数据的大幅轻量化是十分必要和迫切的。
目前，企业使用的3D数据造型软件中，即使是CAD数据，一般的也是变换成VRML及STL等的多边形化的数据形式加以使用。
这样进行了从曲面到多边形的转换，为确保精度数据容量就变大了；反过来数据尺寸变小的话,精度也随之受到影响。
通常的CAD模型是保持10^-5～10^-6mm这样的精度、但是如果不是以设计和加工为目的的场合，是不需要如果精密的数值。
XVL的CAD数据的轻量化的技术主要是为了满足XVL在多软件平台对3D数据的灵活使用，通过降低曲线和曲面的数量及削减必要的控制点，经过内插曲面转换达到大幅的轻量化的目的的同时保持了10^-1～10^-3mm这样的高精度。
⏹合理性
通过将3D数据在设计、制造、销售、库存等领域广泛应用，使只依靠文字信息及平面的2D的图形难以传递的复杂三维信息的情况变得极为容易。
另外，针对购买产品的顾客在资料和使用手册中通过利用3D文档，在提供信息过程中可以将平面无法传递的深层次的及产品的复杂特征更高效地传递。
因此，通过对应CAD、CG的主要格式而自行开发的WEB3DENCODING技术，把各种数据转换成XVL文件格式。
消除领域之间的障碍，利用WEB环境，提供一个能够有效利用各种3D数据的统一环境。
⏹表现力
XVL不仅在于形状表现，针对形状而组装的工程及产品的动作等的动态表现，也可以作为XVL文件的一部分加以定义。
据此，利用英特网的双向性就可以提供动画等无法实现的双向服务的内容。
另外、，XVL不仅限于文件内部定义的动态形式、在Web世界中也普遍被使用，利用JavaScript也可进行柔性的动态定义。
以动画的方式，能够简明地显示出组合等工程程序。
并通过实时呈现高品质的显示而在网上提供一个富有“Visual&Interactivity”的环境。
⏹结构信息
能够进行形状属性、注释及组合结构等CAD所拥有的各种信息的继承和设置，并能够简便地传递产品的结构零部件列表等信息。
XVL技术即将成为世界标准：
Ù在W3C/Web3DConsortium讨论作为VRML的继任的X3D规格
Ù2000/7 建议把XVL作为X3D的曲面表现的扩充方法
Ù2002/3 在VRML浏览器上计划公开XVL结构的样品源文件
Ù2002/8 W3C计划对ISO建议X3D规格
2）基于XVL的产品族数据管理技术
面向大规模定制生产需要建立在企业标准化资源基础上的产品族数据管理,因此必须能覆盖产品族模型的三视图:
功能模型、原理模型、结构模型.另外,产品族的基本模块以规范化的企业资源为基础,产品族与企业资源之间具有引用关联关系.面向大规模定制的产品族数据管理除具有产品数据管理应有的功能外,还有以下特点:
⏹能反映产品族及其构造单元的功能、原理、结构的映射；
⏹能进行产品族及其构造单元的事物特性表（包括几何与非几何）的管理；
⏹支持基于产品族的产品配置设计；
⏹能反映资源与产品族的对应关系；
⏹系统准备选用PLM系统进行二次开发实现上述功能；
3）基于XVL的大规模定制生产的汽车产品族信息模型的建立
汽车大规模定制生系统，由用户、供应商及企业内部各个部门，都要对三维模型进行操作，建立适合的模型是关键，针对一个产品族构造一个产品模型,该产品模型应当是一个可以覆盖产品族中既定型号和规格变化的动态模型。
在得到产品定单后,根据定单的需求在产品模型的基础上进行实例化设计,就可以快速得到满足客户需求的产品，本项目拟采用复合特征来建立产品族模型，包括产品族的三个方面:
结构视图、原理视图和功能视图,不同的视图适用于企业不同的部门和不同设计阶段。
4）基于XVL的设计过程重组
采用面向生命周期的设计，包括产品功能设计，过程设计及使用设计，其过程促进“设计→分析评价→再设计”的反复过程。
其过程重组就是运用计算机技术、信息技术、网络技术分析现在设计过程的优缺点，排除设计任务链、制止任务链，使用任务链上物价值得附加过程、找出多余过程，找出改进，构造一个新的过程，只有这样才能满足快速、高质量的产品设计要求。
5）基于XVL的汽车产品配置:
⏹支持企业用户直接在网上建立汽车产品的功能树和结构树
⏹支持企业用户直接在网上建立汽车产品/部件/零件的属性表（变量）,如汽车产品规格、价格等；
⏹（帮助企业用户直接在网上对本企业的数据进行远程维护；
⏹帮助一般用户在网上进行按产品功能或按产品结构的产品配置设计；
⏹支持在服务器端直接将其它各种数据库的汽车产品结构数据转化到本系统；
本项目采用产品配
升级会员 