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摘要： 文章通过对虚拟现实技术的介绍，分析了虚拟现实技术是一个最新的技术开发平台和复杂的仿真工具，在当前汽车工业中的设计、制造及实验等环节都得到广泛应用，并对该技术在汽车工业中的应用前景进行了展望。
关键词： 虚拟现实 汽车工业 产品设计
1.引言
虚拟现实技术，是近年发展起来的高级计算机技术，是建立在计算机图形学、仿真学、并行技术、人工智能、多媒体技术及高性能计算机系统等技术基础之上的。目前世界上对虚拟现实还没有一个确切的定义，不同的人对其有不同的理解，比较有代表性的定义有下列三种［１］：
（1）虚拟现实，英文名称Virtual Reality，简称VR，是一种可以创造和体验虚拟世界的计算机系统。这里所说的虚拟世界是指所有虚拟环境或给定仿真对象的全体。而“虚拟环境”一般是指用计算机生成的有立体感的图形，它可以是一特定现实环境的表现，也可以是纯粹虚构的世界。
（2）虚拟现实是使人可以通过计算机看见、操作极端复杂的数据并与之交互的一种方式。
（3）虚拟现实是一种媒介，它具有三维合成环境，人们可以按自己的意愿，从任选视点实时地在其中连续而自由地探测、考察和体验。
Virtual Reality一词最早是由美国VPL公司的创建人之一Jaron Lanier于20世纪80年代初正式提出来的。他认为，与传统的“人—机界面”相比，虚拟现实技术具有质的飞跃。传统的“人—机界面”是将用户和计算机视为两个独立的实体，将界面视为信息交换的媒介，用户将要求或指令输入计算机内，计算机将信息或动作反馈出来。而虚拟现实技术则将用户和计算机视为一个整体，通过各种直观的工具将信息可视化，用户直接置身于这种三维信息空间中自由地操作和控制各种信息，从而成为信息的主人。
2.虚拟现实技术在汽车工业中的应用
2.1在虚拟设计中的应用。
基于虚拟设计技术的对象是产品的结构和性能，从产品设计、分析、模拟、评测出发，对客户所需求的产品性能和成本进行优化，它的对象是产品本身［２］。
近几年来，CAID技术为企业在新产品开发过程中提供了有力的支持，但目前在虚拟设计中通常使用软件组合来完成产品设计过程。例如复杂曲面的产品造型，多采用Rhino和Pro/Engineer，而产品的渲染则采用3DMAX或LightWAVE，其实质并没有把设计人员从二维鼠标与键盘上解放出来，设计人员也并没有真正参与到虚拟产品设计中来，在某种角度上限制了设计人员的积极性与创造性的发挥。
现代生产中产品的虚拟设计和开发就是建立虚拟样机。以借助虚拟现实技术建立的三维汽车为例，在对汽车进行设计时，设计人员在具有全交互性的设计环境中，利用头盔显示器、具有触觉反馈功能的数据手套、操纵杆、三维位置跟踪器等装置，将视觉、听觉、触觉与虚拟概念产品模型相连，不仅可以进行虚拟的合作，产生一种身临其境的感觉，还可以实时地对整个虚拟产品（Virtual Product）设计过程进行检查、评估，实地解决设计中的决策问题，使设计思想得到综合。在交互性的虚拟环境快速成型设备上，设计人员对虚拟产品设计模型的直接设计，提高了设计人员积极性与创造性的发挥。
2.2在虚拟制造中的应用。
虚拟现实技术是虚拟制造系统的基础和灵魂，虚拟制造系统是由多学科知识形成的综合系统，是利用计算机支持技术对需要进行生产和制造的产品进行全面建模和仿真，它能够仿真非实际生产的材料或产品，同时得出有关它们的信息。
虚拟制造系统（Virtual manufacturing system）由虚拟信息系统（Virtual information system）和虚拟物理系统（Virtual physical system）组成。虚拟信息系统也叫虚拟逻辑系统，主要是用来模拟处理设计、管理、计划调度等制造活动中的信息；而虚拟物理系统是计算机对实际的加工车间，包括机床、材料、工人等进行建模，并在此模型的基础上进行仿真实际制造系统的制造过程。
虚拟物理制造系统中的信息和实际的制造系统相一致，它是虚拟制造系统的关键。虚拟制造技术的应用范围涉及产品的整个生命周期，它可以在生产设备、工装和模具，甚至样车的设计之前，很容易地对生产系统和工艺过程进行建模、修改、分析及优化。在汽车柔性生产系统（FMS）、计算机集成制造系统（CMIS）的设计和应用中，就广泛运用了虚拟现实技术。
虚拟设计与虚拟制造都是围绕着产品而展开的活动，是一个彼此相互联系有机整体。虚拟模型相互关系如图1所示。
2.3在虚拟试验中的应用。
虚拟试验技术作为汽车虚拟制造技术的一个关键环节，在汽车空气动力学及汽车被动安全性研究中正得到越来越广泛的应用，汽车被动安全性研究包括车身抗撞性研究、碰撞生物力学研究以及乘员约束系统和内饰件的研究。
虚拟试验方法的核心是有限元法和多刚体动力学的数值方法，它通过一定的前后处理程序和数据转换模板，以CAD文件为输入，在计算机中模拟出与实际试验一样的环境。通过计算，得到试验报告。
设计师设计出的新型汽车是否合理，往往需要经过碰撞、风洞等测试加以检验。最初检验新型汽车性能的方法是：先在一辆样车上放置木偶，加速后让它与墙壁碰撞，然后，再检测车身与木偶的受损程度，由此断定碰撞过程中车与人的受力情形。这种方法，不仅存在着严重的误差，而且需先把样车做出来，费事费力。而采用虚拟试验方法，则只需先用木材、黏土或陶土做一辆汽车模型，在风洞中测定其空气动力学数据，再把模型扫描进虚拟环境系统，把它放大成与真车一样的大小。通过虚拟环境系统模拟撞车，可以精确地把木偶的手或脚的受力情况反映出来，采用这个系统，可以减少约一半的设计费用及时间。
3.虚拟现实技术在汽车工业中的前景展望
多媒体技术软硬件飞速发展，特别是虚拟现实技术与多媒体技术有机结合，加快了设计人员从键盘和鼠标上解脱下来的速度，使虚拟设计技术在新产品开发应用方面也得到提升。虽然目前汽车工业应用虚拟现实技术进行产品开发、制造、试验目前处于起步阶段，主要应用于概念车和车身内外模型的开发，另外在汽车装配中亦有少量使用，但我们相信，随着传感器与信息环境的交互技术等虚拟现实技术不断发展和完善，它必将引起汽车行业各个领域的革命性变化。
3.1敏捷制造/虚拟工厂。
虚拟现实技术将广泛应用于汽车工业，主要是以美国工业界提出的一个敏捷制造/虚拟企业为契机的。1991年，美国里海大学受美国国防部委托，组织编写了《21世纪制造企业的战略》的报告。在报告中，首次提出了敏捷制造（Agile manufacture）和虚拟企业（virtual enterprise）的概念。他们认为敏捷（agility）是一种能使企业在无法预测、持续变化的市场环境中保持并不断提高竞争力的能力。
该报告设想到2010年建立美国汽车（USM）公司，实现汽车工业的敏捷制造/虚拟工厂，主要达到以下目的标：
（1）每辆USM公司的汽车都按用户要求制造，每辆USM公司的汽车从定货起3天内交货。USM汽车在整个生命周期内有责任使用户满意，并且这种汽车能重新改造，使用寿命长。
（2）用户可以利用USM公司的图表、虚拟设计软件设计自己所需的汽车，并了解其售价、运行费用等。
（3）用户初步选定车型后，可进行模拟试验，通过模拟试验或重选或提出意见，满意后办理订货手续。
（4）USM公司工厂按年产6万辆设计，同一条生产线上可装配其所有型号的变型车，数量不限。
（5）在世界各地建厂，6个月内投产。
（6）4个月提出一种新车型。
（7）设计与制造能力匹配，产品设计与工艺设计同时进行，对全车设计与制造工艺进行虚拟设计和仿真。
（8）设计通过后，有计算机选择所有制造设备，并投入生产。
未来敏捷制造/虚拟企业的模式将表现为由计算机网络控制的多个柔性制造单元组成的分布式自动制造与虚拟制造系统。
3.2对并行工程的促进。
不断发展的CAD、CAM、CAS（计算机辅助造型）、CAT（计算机辅助试验）、CAE（计算机辅助工程分析）等各个领域渗入虚拟现实技术，并形成一个具有集成性、并行工程的网络。各个虚拟现实工作室工作人员，可以在不同的地点、不同时间、不同场合进行虚拟现实对话，在进行产品设计的同时，虚拟现实技术有能力提供大量的数字化三维模型，对分析、研究、建立生产装配线、工艺流程、原材料品种和消耗、工厂费用和成本等，通过检测，最终选定一套最佳的工厂设计方案［３］。
同时，企业领导、工程技术人员、经销商、供应商等，还可在该虚拟现实环境中，共同探讨各种产品的性能与市场前景，以便生产出用户满意的汽车产品，并且有关产品的供货合同、设计、生产、试验、储运等问题，都可以一并解决。
3.3供、销商介入汽车生产。
以前，每当设计新车型时，经常会因一些技术参数的更改而与零部件供应商进行反复沟通与协商，而这些沟通与协商几乎都是以邮件、传真等方式进行的，很不方便。但在虚拟现实技术的环境中，主机厂工程技术人员设计新车型时，可要求主要零部件供应商将拟采用的零部件数据以CAD及CAS的方式输入主机厂的数据库，并让它们进入主机厂的开发网络，当主机厂修改设计方案时，与之配套的零部件也将实时进行修改，不必与供应商反复沟通与协商。
4.结语
目前，虚拟现实技术正渗入到汽车工业的各个领域，它不仅为汽车设计开发人员创造了更为宽松自由的工作环境，而且从根本上动摇了一些曾被视为经典的汽车产品设计开发理论和指导原则。虚拟现实技术已经被普遍认为是下一代产品设计的主要技术，它的推广和应用将使汽车工业的思维模式、开发方式、部件供应、组织形式、市场竞争等方面产生全方位的创新和变革。在虚拟现实技术的未来发展中，虚拟汽车和真实汽车之间的界线将会变得越来越模糊。
参考文献：
［1］李怡，李树涛.虚拟工业设计［M］.北京：电子工业出版社，2003，6.
［2］刘宏增，黄靖远.虚拟设计［M］.北京：机械工业出版社，1999，12.
［3］Gunter Spur，Frank-Lothar Krause.虚拟产品开发技术.北京：机械工业出版社，2000.
关键词： 虚拟现实 汽车工业 产品设计
1.引言
虚拟现实技术，是近年发展起来的高级计算机技术，是建立在计算机图形学、仿真学、并行技术、人工智能、多媒体技术及高性能计算机系统等技术基础之上的。目前世界上对虚拟现实还没有一个确切的定义，不同的人对其有不同的理解，比较有代表性的定义有下列三种［１］：
（1）虚拟现实，英文名称Virtual Reality，简称VR，是一种可以创造和体验虚拟世界的计算机系统。这里所说的虚拟世界是指所有虚拟环境或给定仿真对象的全体。而“虚拟环境”一般是指用计算机生成的有立体感的图形，它可以是一特定现实环境的表现，也可以是纯粹虚构的世界。
（2）虚拟现实是使人可以通过计算机看见、操作极端复杂的数据并与之交互的一种方式。
（3）虚拟现实是一种媒介，它具有三维合成环境，人们可以按自己的意愿，从任选视点实时地在其中连续而自由地探测、考察和体验。
Virtual Reality一词最早是由美国VPL公司的创建人之一Jaron Lanier于20世纪80年代初正式提出来的。他认为，与传统的“人—机界面”相比，虚拟现实技术具有质的飞跃。传统的“人—机界面”是将用户和计算机视为两个独立的实体，将界面视为信息交换的媒介，用户将要求或指令输入计算机内，计算机将信息或动作反馈出来。而虚拟现实技术则将用户和计算机视为一个整体，通过各种直观的工具将信息可视化，用户直接置身于这种三维信息空间中自由地操作和控制各种信息，从而成为信息的主人。
2.虚拟现实技术在汽车工业中的应用
2.1在虚拟设计中的应用。
基于虚拟设计技术的对象是产品的结构和性能，从产品设计、分析、模拟、评测出发，对客户所需求的产品性能和成本进行优化，它的对象是产品本身［２］。
近几年来，CAID技术为企业在新产品开发过程中提供了有力的支持，但目前在虚拟设计中通常使用软件组合来完成产品设计过程。例如复杂曲面的产品造型，多采用Rhino和Pro/Engineer，而产品的渲染则采用3DMAX或LightWAVE，其实质并没有把设计人员从二维鼠标与键盘上解放出来，设计人员也并没有真正参与到虚拟产品设计中来，在某种角度上限制了设计人员的积极性与创造性的发挥。
现代生产中产品的虚拟设计和开发就是建立虚拟样机。以借助虚拟现实技术建立的三维汽车为例，在对汽车进行设计时，设计人员在具有全交互性的设计环境中，利用头盔显示器、具有触觉反馈功能的数据手套、操纵杆、三维位置跟踪器等装置，将视觉、听觉、触觉与虚拟概念产品模型相连，不仅可以进行虚拟的合作，产生一种身临其境的感觉，还可以实时地对整个虚拟产品（Virtual Product）设计过程进行检查、评估，实地解决设计中的决策问题，使设计思想得到综合。在交互性的虚拟环境快速成型设备上，设计人员对虚拟产品设计模型的直接设计，提高了设计人员积极性与创造性的发挥。
2.2在虚拟制造中的应用。
虚拟现实技术是虚拟制造系统的基础和灵魂，虚拟制造系统是由多学科知识形成的综合系统，是利用计算机支持技术对需要进行生产和制造的产品进行全面建模和仿真，它能够仿真非实际生产的材料或产品，同时得出有关它们的信息。
虚拟制造系统（Virtual manufacturing system）由虚拟信息系统（Virtual information system）和虚拟物理系统（Virtual physical system）组成。虚拟信息系统也叫虚拟逻辑系统，主要是用来模拟处理设计、管理、计划调度等制造活动中的信息；而虚拟物理系统是计算机对实际的加工车间，包括机床、材料、工人等进行建模，并在此模型的基础上进行仿真实际制造系统的制造过程。
虚拟物理制造系统中的信息和实际的制造系统相一致，它是虚拟制造系统的关键。虚拟制造技术的应用范围涉及产品的整个生命周期，它可以在生产设备、工装和模具，甚至样车的设计之前，很容易地对生产系统和工艺过程进行建模、修改、分析及优化。在汽车柔性生产系统（FMS）、计算机集成制造系统（CMIS）的设计和应用中，就广泛运用了虚拟现实技术。
虚拟设计与虚拟制造都是围绕着产品而展开的活动，是一个彼此相互联系有机整体。虚拟模型相互关系如图1所示。
2.3在虚拟试验中的应用。
虚拟试验技术作为汽车虚拟制造技术的一个关键环节，在汽车空气动力学及汽车被动安全性研究中正得到越来越广泛的应用，汽车被动安全性研究包括车身抗撞性研究、碰撞生物力学研究以及乘员约束系统和内饰件的研究。
虚拟试验方法的核心是有限元法和多刚体动力学的数值方法，它通过一定的前后处理程序和数据转换模板，以CAD文件为输入，在计算机中模拟出与实际试验一样的环境。通过计算，得到试验报告。
设计师设计出的新型汽车是否合理，往往需要经过碰撞、风洞等测试加以检验。最初检验新型汽车性能的方法是：先在一辆样车上放置木偶，加速后让它与墙壁碰撞，然后，再检测车身与木偶的受损程度，由此断定碰撞过程中车与人的受力情形。这种方法，不仅存在着严重的误差，而且需先把样车做出来，费事费力。而采用虚拟试验方法，则只需先用木材、黏土或陶土做一辆汽车模型，在风洞中测定其空气动力学数据，再把模型扫描进虚拟环境系统，把它放大成与真车一样的大小。通过虚拟环境系统模拟撞车，可以精确地把木偶的手或脚的受力情况反映出来，采用这个系统，可以减少约一半的设计费用及时间。
3.虚拟现实技术在汽车工业中的前景展望
多媒体技术软硬件飞速发展，特别是虚拟现实技术与多媒体技术有机结合，加快了设计人员从键盘和鼠标上解脱下来的速度，使虚拟设计技术在新产品开发应用方面也得到提升。虽然目前汽车工业应用虚拟现实技术进行产品开发、制造、试验目前处于起步阶段，主要应用于概念车和车身内外模型的开发，另外在汽车装配中亦有少量使用，但我们相信，随着传感器与信息环境的交互技术等虚拟现实技术不断发展和完善，它必将引起汽车行业各个领域的革命性变化。
3.1敏捷制造/虚拟工厂。
虚拟现实技术将广泛应用于汽车工业，主要是以美国工业界提出的一个敏捷制造/虚拟企业为契机的。1991年，美国里海大学受美国国防部委托，组织编写了《21世纪制造企业的战略》的报告。在报告中，首次提出了敏捷制造（Agile manufacture）和虚拟企业（virtual enterprise）的概念。他们认为敏捷（agility）是一种能使企业在无法预测、持续变化的市场环境中保持并不断提高竞争力的能力。
该报告设想到2010年建立美国汽车（USM）公司，实现汽车工业的敏捷制造/虚拟工厂，主要达到以下目的标：
（1）每辆USM公司的汽车都按用户要求制造，每辆USM公司的汽车从定货起3天内交货。USM汽车在整个生命周期内有责任使用户满意，并且这种汽车能重新改造，使用寿命长。
（2）用户可以利用USM公司的图表、虚拟设计软件设计自己所需的汽车，并了解其售价、运行费用等。
（3）用户初步选定车型后，可进行模拟试验，通过模拟试验或重选或提出意见，满意后办理订货手续。
（4）USM公司工厂按年产6万辆设计，同一条生产线上可装配其所有型号的变型车，数量不限。
（5）在世界各地建厂，6个月内投产。
（6）4个月提出一种新车型。
（7）设计与制造能力匹配，产品设计与工艺设计同时进行，对全车设计与制造工艺进行虚拟设计和仿真。
（8）设计通过后，有计算机选择所有制造设备，并投入生产。
未来敏捷制造/虚拟企业的模式将表现为由计算机网络控制的多个柔性制造单元组成的分布式自动制造与虚拟制造系统。
3.2对并行工程的促进。
不断发展的CAD、CAM、CAS（计算机辅助造型）、CAT（计算机辅助试验）、CAE（计算机辅助工程分析）等各个领域渗入虚拟现实技术，并形成一个具有集成性、并行工程的网络。各个虚拟现实工作室工作人员，可以在不同的地点、不同时间、不同场合进行虚拟现实对话，在进行产品设计的同时，虚拟现实技术有能力提供大量的数字化三维模型，对分析、研究、建立生产装配线、工艺流程、原材料品种和消耗、工厂费用和成本等，通过检测，最终选定一套最佳的工厂设计方案［３］。
同时，企业领导、工程技术人员、经销商、供应商等，还可在该虚拟现实环境中，共同探讨各种产品的性能与市场前景，以便生产出用户满意的汽车产品，并且有关产品的供货合同、设计、生产、试验、储运等问题，都可以一并解决。
3.3供、销商介入汽车生产。
以前，每当设计新车型时，经常会因一些技术参数的更改而与零部件供应商进行反复沟通与协商，而这些沟通与协商几乎都是以邮件、传真等方式进行的，很不方便。但在虚拟现实技术的环境中，主机厂工程技术人员设计新车型时，可要求主要零部件供应商将拟采用的零部件数据以CAD及CAS的方式输入主机厂的数据库，并让它们进入主机厂的开发网络，当主机厂修改设计方案时，与之配套的零部件也将实时进行修改，不必与供应商反复沟通与协商。
4.结语
目前，虚拟现实技术正渗入到汽车工业的各个领域，它不仅为汽车设计开发人员创造了更为宽松自由的工作环境，而且从根本上动摇了一些曾被视为经典的汽车产品设计开发理论和指导原则。虚拟现实技术已经被普遍认为是下一代产品设计的主要技术，它的推广和应用将使汽车工业的思维模式、开发方式、部件供应、组织形式、市场竞争等方面产生全方位的创新和变革。在虚拟现实技术的未来发展中，虚拟汽车和真实汽车之间的界线将会变得越来越模糊。
参考文献：
［1］李怡，李树涛.虚拟工业设计［M］.北京：电子工业出版社，2003，6.
［2］刘宏增，黄靖远.虚拟设计［M］.北京：机械工业出版社，1999，12.
［3］Gunter Spur，Frank-Lothar Krause.虚拟产品开发技术.北京：机械工业出版社，2000.