Мениджмънт

Виртуалното инженерство - основа на най-новите технологии за проектиране и производство

CIO Media

Проф. д-р Илия Бояджиев, Доц. д-р Георги Тодоров
ТУ София, Център за виртуално инженерство

Модерните до скоро методи за съкращаване на времето за проектиране и внедряване на новите изделия като симултантно или конкурентно инженерство (за припокриване на отделните фази на процеса проектиране-внедряване), планирани експерименти (за ускоряване на валидирането на проектите чрез експериментални изпитания на прототипи) и др. са вече широко разпространени и вследствие на това са изчерпали възможностите си да осигурят пазарно предимство на прилагащите ги предприятия. Виртуалното инженерство (ВИ)– Virtual Engineering е в основата на най-новите производствени методологии, при които дейностите по проектиране и валидиране се осъществяват съвместно, за да се осигури оптимизацията и изпитване на продуктите преди тяхната същинска реализация (без направата на физически прототипи). Това води до необходимостта от предефиниране на цялостния производствен процес на новите продукти и позволява ранно откриване на потенциалните инженерни проблеми, при което се намалява броя конструктивните изменения и броя на изработваните прототипи [5]

Виртуалното инженерство намира приложение в различни клонове на индустрията като автомобилостроенето [3], аеро-космическия сектор [2], машино- и роботостроенето [1], както и в областта на медицината, химията, биологията [4], образованието [6] и др.

За виртуалното инженерство може да се даде следното определение:

”Възможността на инженерите, чрез използване на методи и технологии, реализирани във виртуална среда, ефективно да проектират, прототипират, валидират и верифицират изделия и производствени системи (необходими за тяхното изработване) на базата на виртуална реалност.”

Виртуално прототипиране

Виртуалният прототип (ВП) – Virtual Prototyping е компютърен модел на система позволяващ симулиране на поведението и с ниво на функцинален реализъм, близко до това на физическия обект (фиг.1). ВП може да бъде представен като серия от графични обекти, тримерни CAD модели, математически модели, модели от крайни елементи и др. Виртуалното прототипиране като технология включва създаването и използването на виртуални модели за презентация, тестване и анализиране на даден продукт преди създаване на реални физически модели или при оптимизация на параметри паралелно на физическите прототипи.

 

Фигура 2: Етапи от цикъла на създаване на едно изделие използващи технологиите на виртуалното инженерство

 

Предимствата на виртуалните прототипи и модели по отношение на себестойност, възможност за вариантно проектиране и натрупванена проектански знания и опит, в сравнение с традиционното проектиране и физическите прототипи, са отразени на фиг.3. Ясно се очертава намалената себестойност на началните етапи както и рязкото нарастване на възможностите за вариантно проектиране във виртуалната среда.

 

 

Фиг. 3: Себестойност , възможност за вариантно проектиране и натрупванена проектански знания и опит при традиционното и виртуалното проектиране

 

Виртуалното инженерство в България

Тематичното направление на виртуалното инженерство обхваща научни изследвания в областите: CAD/CAM/CAE и RP технологиите, както и създаване и използване на виртуална реалност.

В областта на симулациите с използване на CAE системи (FEA, CFD), лабораторията “CAD/CAM/CAE в индустрията” има водещо място в България с повече от 15 годишен опит в използването и развитието на тези технологии за изследователски и индустриални цели. По настоящем в лабораторията стартира проект по 7 рамкова програма в областта на CFD с партньори водещи компании като Фолксваген АД, РЕНО и др., което дава нови хоризонти за развитие на технологиите за симулация в ТУ София като научно направление и ефективно обучение на магистри и докторанти.

В направлението създаване на системи за виртуална реалност до този момент в страната няма провеждана систематична работа с изключение на дейностите по изграждане на лаборатория за системно проектиране и виртуално инженерство в ТУ – София, състояща се от пасивна стереоскопична визуализационна система със задна прожекция, компютърен клъстер от 3 четири-ядрени компютъра с мощни графични контролери и трекинг система. Също така есъздадена и експериментална визуализационна система за виртуална реалност , включваща автостереоскопичен дисплей и един четири-ядрен компютър със специализиран графичен контролер.

Център за виртуално инженерство на ТУ София

От 2007 г. в ТУ София е открит Център за виртуално инженерство “eXcite“ (http://tu-sofia.bg/Bul/R&DS/excite.htm), обединяващ научни звена от 6 факултета, създадени в периода от 1988 до 2006 г. Центърът е изграден с подкрепата на Фонда за научни изследвания на МОН, Университет Карлсруе и Германската служба за академичен обмен – DAAD. Интеграцията на звена от 6 факултета води до получаване на синергиен ефект при работата на центъра.

Учебните и научните области, които се развиват приоритетно от центъра са: информационни и комуникационни технологии, системно проектиране, прототипиране, оптимизиране и подготовка на производството на нови изделия за промишлеността, но и за медицината, архитектурата, енергетиката.

Центърът извършва научен трансфер към научни звена и промишлени предприятия от България, Германия, Франция, Англия, Македония, Сърбия, Румъния, Турция и др. Той е съставна част от съвместна международна изследователска база на интердисциплинарни научни колективи от България - Център за виртуално инженерство и Германия - Университет Карлсруе – институт IMI и център LESC, Изследователски център по информатика и фирмата за ключови технологии „Engage” за провеждане на научни изследвания в областите на: PLM – управление на жизнения цикъл, VR-виртуална реалност; VP- виртуално прототипиране, интерактивна, имерсивна работа с виртуални прототипи, концептуален дизайн, 3D моделиране, анализи и оптимизация с МКЕ (метод на крайните елементи), надеждностни анализи, кинематични и динамични анализи, интерактивна техническа документация и уеб дизайн, разработване на PDM софтуер, бързо изработване на прототипи и инструменти (Rapid prototyping) и др.

Дейността на центъра се финансира от проекти по FP6 и FP7 проект от Фонд „Научни изследвания” проекти, финансирани от ИАНМСП, средства от български и чуждестранни фирми (от лабораториите към центъра са реализирани успешно над 80 такива проекта).

Центърът притежава единствените в България апаратура и софтуер за виртуална реалност, позволяващи създаване и изследване на виртуални сцени и композиции и виртуални прототипи за повишаване на ефективността в индустрията, строителството, архитектурата, както и за изследвания в медицината, енергетиката и др. Свързан е с видеоконферентна връзка с германските партньори.

Цел на обучението от интегрирания център по виртуално инженерство е подготовка на специалисти за бъдещата икономика на знанието, които ще могат да отговорят на предизвикателствата на глобалната конкуренция и ще са подготвени да поемат водещата роля в развитието на конкурентоспособни продукти чрез интердисциплинарния подход на виртуалното инженерство, позволяващ скъсяване на времето за разработване на новите обекти и системи при гарантиране на качеството им и на изискванията за целият им жизнен цикъл.

Очакваните резултати от интегрирането на знанията, опита и ресурсите на участващите в центъра изследователски звена могат да бъдат обобщени както следва:

  • Повишаване на компетентността на изследователските екипи и постигане на критична маса и синергия в рамките на интегрирания център;
  • Системен подход за успешно използване на виртуалното прототипиране и технологиите за бързо изготвяне на прототипи при разработване на сложни обекти и процеси в колективна виртуална среда;
  • Реализиране на демонстрационни проекти за представяне и потвърждаване на принципите на предложения подход за виртуално прототипиране (VP).
  • Увеличаване на възможностите на малките и средни предприятия (МСП) за достъп до високи технологии в инженерната практика, както и по-активен обмен на знания и опит между МСП и изследователските институции в България;
  • Генериране на добавена стойност чрез трансфер на знания и възможност за реализиране на стратегията за обратен трансфер на ресурси от индустриалните предприятия към изследователските институции;
  • Повишаване на компетентността на студентите и докторантите, включени в съвместните проекти с голям дългосрочен ефект върху индустрията, където тези студенти ще реализират своите знания и умения.

В заключение

Чрез развитието и разпространението на методите на виртуалното инженерство Центърът за виртуално инженерство на ТУ-София ще способства за повишаване на конкурентноспособността на българските предприятията чрез съкращаване на цикъла проектиране-внедряване, при същевременно повишаване на качеството на изделията.

 

Литература:

  1. Baerlocher B., R. Boulic, "An Inverse Kinematic Architecture Enforcing an Arbitrary Number of Strict Priority Levels", The Visual Computer, Springer Verlag, 20(6), pp 402-417, 2004
  2. Conde T., D. Thalmann, "Autonomous Virtual Agents Learning a Cognitive Model and Evolving", Intelligent Virtual Agents, T. Panayiotopoulos et al. (Eds.), In Lecture Notes in Computer Science, Springer-Verlag Berlin Hidelberg, Vol. 3631, pp. 88-98, September 2005
  3. Lemoine P., M. Gutierrez, F. Vexo, D. Thalmann, "Mediators: Virtual Interfaces with Haptic Feedback", In Proceedings of EuroHaptics 2004, 5th-7th June, Munich, Germany, p.p.73,04
  4. Monzani J.-S., P. Baerlocher, R. Boulic, D. Thalmann, "Using an Intermediate Skeleton and Inverse Kinematics for Motion Retargeting",Proc. Eurographics 2000
  5. Ovtcharova J., „Virtuelles Frontloading in der Fahrzeugentwicklung", EUROFORUM-Fachkonferenz "Vom Rapid Prototyping zur virtuellen Realität", Stuttgart, 23.-24. Okt.2001
  6. Parkinson, B., Hudson, P., "Engineering Design to Manufacture through a Virtual Environment", Advanced Learning Technologies, IWALT 2000, Proceedings. International Workshop, pp225 -228, 2000
  7. Riedel O., D. Rantzau, R. Breining, "Handbook Of Virtual Environments Technology (HVET)", Book, VI Aplications Domains, Chapter 62: Engineering Aplications, 2000
  8. Бояджиев И., Ст. Малешков, А. Бъчваров, "Създаване на научно-учебна лаборатория за системно проектиране и виртуално инженерство " , Отчет за Национален Фонд "Научни Изследвания", МОН, ТУ София, 2007



Оборудване в центъра за виртуално инженерство “eXcite“
  • Стена за пасивна имерсивна стереоскопична проекция с висока резолюция тип (Power Wall),
  • Преносима десктоп система за активна имерсивна стереоскопична проекция с висока резолюция
  • Kомпютърен клъстър за управление на имерсивната стереоскопична проекция
  • 12 CAD-графични станции за подготовка на 3D обектите и текстурите на виртуалните сцени и композиции
  • 44 работни станции с 6 сървъра за CAD
  • 4 компютърни класа с 70 компютъра,
  • Интернет връзка, позволяваща провеждане и на видеоконференции
  • Машина DTM Sinterstation 2500 Plus (SLS технология за бързо изготвяне на прототипи/Rapid Prototyping/
  • Уникален софтуер за създаване на интерактивни виртуални сцени, включващ специализиран SDK модул и библиотеки от готови елементи и функционални поведения (VirTOOLS, IDO:Eplore VDP)
  • Уникален софтуер за имерсивно проектиране на виртуални сцени и композиции
  • Други софтуерни продукти: AutoCAD, SolidWorks, Unigraphics NX, ANSYS, Visual NASTRAN, SurfCAM, PowerMILL, Oracle, Ingress, JBuilder, JAVA, C++, WEB Design.

X