虛擬現實技術在汽車工業(yè)中的應用現狀與前景

摘要：介紹了虛擬現實、虛擬設計、虛擬制造等的概念，闡述了虛擬現實技術在汽車工業(yè)中的應用現狀與發(fā)展前景。

關鍵詞：汽車 虛擬現實 虛擬設計 虛擬制造 虛擬試驗

1 引言

虛擬現實技術，是近年發(fā)展起來的高級計算機技術，是建立在計算機圖形學、仿真學、并行技術、人工智能、多媒體技術及高性能計算機系統(tǒng)等技術基礎之上的。目前世界上對它還沒有一個確切的定義，不同的人對其有不同的理解。那么，何謂虛擬現實呢？比較有代表性的解釋有下列三種：

(1) 虛擬現實有時也稱靈鏡和幻境，英文名稱Virtual Reality，簡稱VR，是一種可以創(chuàng)造和體驗虛擬世界（Virtual World）的計算機系統(tǒng)。這里所說的虛擬世界是全體虛擬環(huán)境（Virtual Environment）或給定仿真對象的全體。而“虛擬環(huán)境”一般是指用計算機生成的有立體感的圖形，它可以是一特定現實環(huán)境的表現，也可以是純粹構想的世界。

(2) 虛擬現實是使人可以通過計算機看見、操作極端復雜的數據并與之交互的一種方式。

(3) 虛擬現實是一種媒介，它具有三維合成環(huán)境，人們可以按自己的意愿，從任選視點實時地在其中連續(xù)而自由地探測、考察和體驗。

Virtual Reality 一詞最早是由美國VPL公司的創(chuàng)建人之一Jaron Lanier 于20 世紀80 年代初正式提出來的，他認為，與傳統(tǒng)的“人—機界面”相比，虛擬現實技術具有質的飛躍。傳統(tǒng)的“人—機界面”是將用戶和計算機視為兩個獨立的實體，將界面視為信息交換的媒介，用戶將要求或指令輸入計算機內，計算機將信息或動作反饋出來。而虛擬現實技術則將用戶和計算機視為一個整體，通過各種直觀的工具將信息可視化，用戶直接置身于這種三維信息空間中自由地操作和控制各種信息，由此成為信息的主人。

虛擬現實技術具有多感知性（Multi— Sensory）、交互性(Interaction)、沉浸感(Immersion)、自主性(Autonomy)4 個重要特征。沉浸感是指用戶有“身臨其境”的感覺，而交互感是指用戶可以用日常使用的方法對環(huán)境內物體進行操作。

全球虛擬現實技術發(fā)展方興未艾，美、日、歐等工業(yè)國家預備將該項技術作為競爭未來市場的關鍵手段。對汽車工業(yè)而言，虛擬現實既是一個最新的技術開發(fā)方法，更是一個復雜的仿真工具，它旨在建立一種人工環(huán)境，人們可以在這中環(huán)境中以一種“自然”的方式從事駕駛、操作和設計等實時活動。并且虛擬現實技術也可以廣泛用于汽車設計、試驗和培訓等方面。

2 虛擬現實技術在汽車工業(yè)中的應用現狀

2.1 在產品設計中的應用

借助虛擬現實技術建立的3 維汽車模型，可顯示汽車的懸掛、底盤、內飾直至每一個焊接點，設計者可確定每個部件的質量，了解各個部件的運行性能。這種三維模型準確性很高，汽車制造商可按得到的計算機數據直接進行大規(guī)模生產。

美國通用公司是全球汽車界最早利用虛擬現實技術的公司之一。它采用的虛擬現實軟件具有3 個圖形流水線部件，可分別投影在設計師的左邊、前面和地面上的大屏幕上，另外一臺單獨的桌面系統(tǒng)有時用做右面的第四面墻，設計師借助于該軟件就能設計一輛惟妙惟肖的汽車。

在通用公司的技術中心，當工作人員進入正在進行虛擬現實工作的工作室時，戴上立體濾色眼鏡或頭盔式顯示器、數據手套等顯示設備，在大屏幕上就可以看到和真實的汽車一樣大小的三維立體圖像，它具有完全真實的立體空間，人們可以圍繞汽車來回走動觀察，提出各個部位的改進設想，也可以在另一個設計室中，坐在汽車的座椅上，讓各種各樣的儀表板、變速桿及各種附屬裝置都顯示在他們的眼前，還可以和坐在駕駛室另一側的工程師一起，對汽車的內裝置進行評價、改進。這種活生生呈現在你眼前的虛擬現實的情景，使你感到完全是身臨其境，在用自己的想象創(chuàng)造一輛汽車。

而在福特汽車公司，產品設計師運用虛擬現實軟件可以看到虛擬汽車車門及發(fā)動機罩的鉸接，可以設想在駕駛室的座位上來解決人機工程和視野問題。也可以觀察到汽車在鄉(xiāng)村公路上奔跑的情景。同時，動力系統(tǒng)的工程師借助更換一個虛擬機油濾清器來模擬發(fā)動機的維護。

最近，位于美國威斯康星洲的一個名叫“M L 汽車專家”的公司，用一種能產生汽車虛擬模型的計算機軟件設計了一輛時速可達200 英里、取名為“撲食者”的轎車，該車是世界上第一輛不用圖紙和黏土模型設計的汽車。這種軟件不但能模擬顯示汽車的外觀形狀，還可以模擬汽車的內部構造及運作情況?！皳涫痴摺痹谠O計時先把整車分成若干部分，設計者逐個部分進行修改，直到滿意為止。然后進行組裝，即使各設計好的部分組裝成了一輛完整的汽車，仍可以對其進行整體修改。

在戴姆勒—克萊斯勒公司耗資巨大的梅賽德斯汽車設計中心里，設計人員可在該中心提供的“虛擬現實中心”的虛擬環(huán)境中進行工作，車身設計師可以在這里檢查車體的線條和輪廓，檢測車身表面的光潔度，分析汽車的空氣動力學性能等。

據報道，通用和戴姆勒—克萊斯勒公司采用虛擬現實技術開發(fā)一種新車型的時間從1 年以上縮短到兩個月左右，開發(fā)成本最多可降到原先的十分之一，而按常規(guī)，單單就車型開發(fā)時間看，新款汽車的設計，至少需12~18 個月。

在馬自達汽車公司的汽車虛擬演示室，為了讓顧客購買到理想型號的汽車，配有特制的頭盔和手套。顧客可以通過頭盔和手套，來改變汽車的顏色和構造。

2.2 在汽車制造中的應用

虛擬現實技術是虛擬制造系統(tǒng)的基礎和靈魂，虛擬制造系統(tǒng)是由多學科知識形成的綜合系統(tǒng)，是利用計算機支持技術對必須生產和制造的汽車進行全面建模和仿真，它能夠仿真非實際生產的材料和產品，同時產生有關它們的信息。也可以制定零件生產的機加工方案、擬定產品檢驗和試驗步驟等。

虛擬制造系統(tǒng)(Virtual manufacturing system)由虛擬信息系統(tǒng)(Virtual information system)和虛擬物理系統(tǒng)(Virtual physical system)組成。虛擬信息系統(tǒng)也叫虛擬邏輯系統(tǒng)，主要是用來模擬處理設計、管理、計劃調度等制造活動中的信息；而虛擬物理系統(tǒng)是計算機對實際的加工車間、包括機床、材料、工人等進行建模，并在此模型的基礎上進行仿真實際制造系統(tǒng)的制造過程。虛擬物理制造系統(tǒng)中的信息和實際的制造系統(tǒng)相一致，它是虛擬制造系統(tǒng)的關鍵。

虛擬制造技術的應用范圍涉及到汽車的整個生命周期，它可以在汽車生產設備、工裝和模具，甚至樣車的設計之前，很容易地生產系統(tǒng)和工藝過程進行建模、修改、分析及優(yōu)化。在汽車柔性生產系統(tǒng)（ FMS）、計算機集成制造系統(tǒng)（CMIS）的設計和應用中，就廣泛運用了虛擬現實技術。

早在1997 年，福特汽車公司就宣稱，它已成為第一個采用計算機虛擬設計裝配工藝的汽車廠商。這些技術的采用可以極大地促進該公司更快地向市場推出新轎車、卡車。福特公司使用的是以色列Technomatix Technologies 公司所提供的軟件。

據報道，在美國通用汽車公司，汽車設計師可以利用虛擬現實原型技術精心進行測試，工作人員可以駕駛虛擬汽車在虛擬公路上行駛，以便檢查汽車的各種功能，或坐在駕駛室中檢查視野情況等。此外，虛擬制造系統(tǒng)還被應用到齒輪的并行設計和裝配以及機器人的訓練等地方。

由于生產過程和設計過程都在使用同樣的計算機虛擬模型和設備模型，因此，可以對設計、制造等生產過程進行建模，在產品設計階段，實時地、并行地模擬出產品未來制造全過程及其對產品設計的影響，預測產品性能、產品制造技術、產品的可制造性，從而更有效、更經濟、柔性靈活地組織生產，使工廠和車間的設計與布局更合理、更有效，以達到產品的開發(fā)周期和成本最小化、產品設計的最優(yōu)化、生產效率的最高化。

日產利用虛擬現實技術，模擬生產線上的過程，它使用虛擬工具，虛擬機械手和虛擬雇員（穿著與日產汽車工人一樣的藍色制服），利用數據庫中已經存在的CAD 信息模擬一種虛擬的生產線，使各生產過程中的不同問題呈現出來。

例如：日產曾用虛擬現實軟件“試線”，模擬從儀表板上拆除氣囊組件，這時發(fā)現擋風玻璃礙事，總裝線上的工人得窩著脖子干活，由于預先發(fā)現了這一問題，并得到了及時解決，避免了正式生產時的麻煩。

2.3 在汽車試驗中的應用

虛擬試驗技術作為虛擬制造技術的一個環(huán)節(jié)，在汽車空氣動力學及汽車被動安全性研究中正得到越來越廣泛的應用，汽車被動安全性研究包括車身抗撞性研究、碰撞生物力學研究以及乘員約束系統(tǒng)和內飾件的研究。

虛擬試驗方法的核心是有限元法和多剛體動力學的數值方法，它通過一定的前后處理程序和數據轉換模板，以CAD 文件為輸入，在計算機中模擬出與實際試驗一樣的環(huán)境。通過計算，得到試驗報告。

設計師設計出的新型汽車是否合理，往往需要經過碰撞、風洞等測試加以檢驗。

最初檢驗新型汽車性能的方法是：先在一輛樣車上放置木偶，加速后讓它與墻壁碰撞，然后，再檢測車身與木偶的受損程度，由此斷定碰撞過程中，車與人的受力情形。這種方法，不僅存在著嚴重的誤差，而且需先把樣車做出來，費事費力。

而采用虛擬試驗方法，則只需先用木材、黏土或陶土做一輛汽車模型，在風洞中測定其空氣動力學數據，再把模型掃描進虛擬環(huán)境系統(tǒng)，把它放大成與真車一樣的大小。通過虛擬環(huán)境系統(tǒng)模擬撞車，可以精確地把木偶的手或腳的受力情況反映出來，采用這個系統(tǒng)，可以減少約一半的設計費用及時間。

虛擬試驗方法在中、外汽車界獲得了日益廣泛的運用。

在代表世界汽車工業(yè)最高科技水平的F1 賽車界，每年參賽的賽車都要進行一項虛擬測試。這項測試的環(huán)境與真實的賽場毫無二致，同樣是馬達轟鳴、風馳電掣，惟一不同指出是沒有車手參賽。在這種虛擬環(huán)境中，計算機忠實地展現出了F1 賽事中各個賽道中可能出現的情況，重點是虛擬出發(fā)生車禍后賽車能夠提供給車手的保護，通過它判斷賽車能否有效地保護車手不受或少受傷害。近幾年，F1 賽壇車禍頻發(fā)，而幾乎沒有車手因此喪生，無疑，這套虛擬環(huán)境系統(tǒng)功不可沒。

3 虛擬現實技術在汽車工業(yè)中的前景展望

從總體上看，汽車工業(yè)應用虛擬現實技術開發(fā)、制造產品尚處于摸索階段，目前，該項技術主要應用于概念車和車身內外模型的開發(fā)，另外在汽車裝配中亦有少量使用。但隨著虛擬現實技術自身的不斷發(fā)展完善，人們有理由相信，它必將引起汽車各個領域的革命性變化。

3.1 敏捷制造/虛擬工廠

事實上，虛擬現實技術將廣泛應用于汽車工業(yè)，主要是以美國工業(yè)界提出的一個敏捷制造/虛擬企業(yè)為契機的。1991 年，美國里海大學受美國國防部委托，牽頭組織編寫了《21 世紀制造企業(yè)的戰(zhàn)略》的報告。在該報告中，首次提出了敏捷制造(Agile manufacture)和虛擬企業(yè)(virtual enterprise)的概念。他們認為敏捷(agility)是一種能使企業(yè)在無法預測、持續(xù)變化的市場環(huán)境中保持并不斷提高競爭力的能力。

該報告設想到2006 年建立美國汽車（USM）公司，即實現汽車工業(yè)的敏捷制造/虛擬工廠，若該設想能如期實現，則可達到下列目的：

(1) 每輛USM公司的汽車都按用戶要求制造，每輛USM 公司的汽車從定貨起3 天內交貨。USM汽車在整個生命周期內有責任使用戶滿意，并且這種汽車能重新改造，使用壽命長。

(2) 用戶可以利用USM 公司的圖表、虛擬設計軟件設計自己所需的汽車，并了解其售價、運行費用等。

(3) 用戶初步選定車型后，可進行模擬試驗，通過模擬試驗或重選或提出意見，滿意后辦理訂貨手續(xù)。

(4) USM 公司工廠按年產6 萬輛設計，同一條生產線上可裝配其所有型號的變型車，數量不限。

(5) 在世界各地建廠，6 個月內投產。

(6) 4 個月提出一種新車型。

(7) 設計與制造能力匹配，產品設計與工藝設計同時進行，對全車設計與制造工藝進行虛擬設計和仿真。

(8) 設計通過后，有計算機選擇所有制造設備，并投入生產。

未來敏捷制造/虛擬企業(yè)的模式將表現為由計算機網絡控制的多個柔性制造單元組成的分布式自動制造與虛擬制造系統(tǒng)。

3.2 對并行工程的促進

不斷發(fā)展的CAD、CAM、CAS(計算機輔助造型)、CAT(計算機輔助試驗)、CAE(計算機輔助工程分析)等各個領域滲入虛擬現實技術 ，并形成一個具有集成性、并行工程的網絡。各個虛擬現實工作室工作人員，可以在不同的地點、不同時間、不同場合進行虛擬現實對話，在進行產品設計的同時，虛擬現實技術有能力提供大量的數字化三維模型，對分析、研究、建立生產裝配線、工藝流程、原材料品種和消耗、工廠費用和成本等，通過檢測，最終選定一套最佳的工廠設計方案。

同時，企業(yè)領導、工程技術人員、經銷商、供應商等，還可在該虛擬現實環(huán)境中，共同探討各種產品的性能與市場前景，以便生產出用戶滿意的汽車產品，并且有關產品的供貨合同、設計、生產、試驗、儲運等問題，都可以一并解決。

3.3 在產品試驗中的應用

按傳統(tǒng)的工作方式，汽車從產品設計到最后投產，期間不僅要經過幾輪實車試裝，以檢驗設計和工藝的合理性，而且要進行大量艱苦又費時耗力的野外試驗，若利用虛擬現實技術，則可在計算機上虛擬各種試驗條件，進行車輛的動力性、經濟性等試驗。

如虛擬風洞可以讓汽車工程師看到模擬的空氣流場，使人感到好像真的站在風洞里一樣。試驗人員把虛擬發(fā)動機放入這種“風洞”中，可考察發(fā)動機進氣、燃燒、排氣時氣體流動的狀況，觀察熱量在其零部件上的散發(fā)過程，以改善制動、排氣系統(tǒng)的冷卻性能。

3.4 供、銷商介入汽車生產

以前，每當主機廠設計新車型時，經常因一些技術參數的更改而與零部件供應商進行反復溝通與協(xié)商，而這些溝通與協(xié)商幾乎都是以郵件、傳真等方式進行的，很不方便。

但在虛擬現實技術的環(huán)境中，主機廠工程技術人員設計新車型時，可要求主要零部件供應商將擬采用的零部件數據以CAD 及CAS 的方式輸入主機廠的數據庫，并讓它們進入主機廠的開發(fā)網絡，當主機廠修改設計方案時，與之配套的零部件也將實時進行修改，不必與供應商反復溝通與協(xié)商。

據悉，IBM 公司已開發(fā)了一種“汽車模擬開發(fā)系統(tǒng)”，該系統(tǒng)已不僅僅局限于車型開發(fā)，還可以提供給汽車生產商以下方面的模擬數據：市場調查、工程研究、數字化制造及產品模擬、測試、制造、產品支持、數據管理及使用、商業(yè)推廣計劃等。

3.5 人員培訓

利用虛擬現實技術建立虛擬培訓基地，對有關從業(yè)人員進行繼續(xù)工程教育，關于這一點，可以借鑒航空界利用虛擬現實技術模擬飛行器的經驗，設計模擬駕駛室，訓練駕駛員。英國皇家裝甲公司曾用虛擬現實技術對一種新的14.5 噸車輛進行了試驗，創(chuàng)建立一種專用車輛訓練軟件。

4 小結

目前，我國汽車界對該項技術得實際運用尚處于起步階段，僅在清華大學、天津中國汽車技術中心等單位的試驗室有所利用。

其實，我國汽車生產企業(yè)運用虛擬現實技術，已經具備了不少有利條件，首先，一汽、二汽、上汽等大公司已有多年運用三維計算機軟件（如UG、CATIA、PRO-E 等）進行產品設計的經驗，且他們的產品大多已形成了CAD、CAE 等數據，可以很方便地將這些電子數據輸入到虛擬現實環(huán)境中。

虛擬現實技術正滲入汽車工業(yè)的各個領域，如汽車的虛擬造型、虛擬設計、虛擬工藝制造、虛擬試驗、虛擬裝配等，它不僅為汽車開發(fā)人員創(chuàng)造了更為自由得工作環(huán)境，而且，從根本上動搖了一系列被視為經典的汽車產品開發(fā)理論和原則。虛擬現實技術的推廣和應用將使汽車工業(yè)的思想概念、開發(fā)方式、部件供應、組織形式、市場競爭及人才培訓方面產生全方位的創(chuàng)新和變革。在虛擬現實技術的未來發(fā)展中，虛擬汽車和真實汽車之間的界線會變得越來越模糊。

我國汽車界在推廣和引進虛擬現實技術的時候，要從我國的實際出發(fā)，通過認真地研究外國先進技術和經驗，努力探索出中國汽車工業(yè)邁向該技術的道路。