智能制造難點(diǎn)在模型，焦點(diǎn)在仿真

　　中國(guó)講兩化融合，第一個(gè)化是工業(yè)化，即工業(yè)技術(shù)（Industry Technology），由于中國(guó)的工業(yè)技術(shù)與世界先進(jìn)水平差距較大，因此我們要補(bǔ)工業(yè)化的課；第二個(gè)化是信息化，即信息技術(shù)（Information Technology），因?yàn)橛腥A為這樣的世界一流公司，可以說(shuō)，中國(guó)的信息技術(shù)和世界是接軌的。實(shí)際上，信息技術(shù)和工業(yè)技術(shù)的深度融合就是兩化融合。兩化融合內(nèi)容非常豐富。按照中國(guó)制造2025的部署，就是創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、提質(zhì)增效、綠色發(fā)展、兩化深度融合為主線、智能制造為突破口。

　　智能制造的基礎(chǔ)是網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化。網(wǎng)絡(luò)化的含義是連接人、機(jī)、物，也就是物聯(lián)網(wǎng)或者工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，也稱(chēng)為第二代互聯(lián)網(wǎng)。提起數(shù)字化就離不開(kāi)數(shù)字模型和過(guò)程仿真，本文將主要論述這兩方面。當(dāng)然，數(shù)字模型是仿真的基礎(chǔ)，過(guò)程仿真是航空航天大規(guī)模應(yīng)用幾十年來(lái)特別擅長(zhǎng)的領(lǐng)域，也是取得巨大成效的領(lǐng)域。

　　數(shù)字模型

　　數(shù)字模型有兩類(lèi)，一類(lèi)是工程模型，另一類(lèi)是管理模型。其中，工程模型也分為兩類(lèi)：產(chǎn)品模型和產(chǎn)品研制過(guò)程模型。本文重點(diǎn)研究產(chǎn)品模型和過(guò)程仿真。CAD（Computer Aided Design）技術(shù)是建立模型，CAE（Computer Aided Engineering）技術(shù)就是模型的確認(rèn)，即過(guò)程仿真。CAE的發(fā)展一直隨著計(jì)算機(jī)的硬件、軟件、操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)的發(fā)展而壯大。工業(yè)技術(shù)通常分為設(shè)計(jì)、制造和試驗(yàn)三大類(lèi)，從產(chǎn)品需求和市場(chǎng)調(diào)研開(kāi)始，就可以做仿真，做方案設(shè)計(jì)時(shí)也要做仿真，做方案的特點(diǎn)是方案不止一種，做方案時(shí)要用多種方案來(lái)做優(yōu)化設(shè)計(jì)，并且要做大量的仿真對(duì)比，然后進(jìn)入工程研制階段的設(shè)計(jì)、試制、試驗(yàn)過(guò)程，再進(jìn)行工程研制完成以后的設(shè)計(jì)定型，生產(chǎn)定型，批量生產(chǎn)，產(chǎn)品交付，最后到服務(wù)保障。整個(gè)工業(yè)體系中，仿真必不可少。

　　傳統(tǒng)的工業(yè)體系是物理或者叫實(shí)體（Physical）,基于物理的原型和模型，設(shè)計(jì)制造試驗(yàn)，如果試驗(yàn)時(shí)檢測(cè)產(chǎn)品的功能和性能滿(mǎn)足不了要求，就扔掉，然后再來(lái)一遍，這就是典型的以愛(ài)迪生為代表的傳統(tǒng)工業(yè)體系的試錯(cuò)法。當(dāng)進(jìn)入了現(xiàn)代工業(yè)社會(huì)，就要在 Cyber虛擬空間用模型表達(dá)， CAD做機(jī)械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)、流體模型和過(guò)程模型，當(dāng)然，管理也有模型，如人力資源模型、財(cái)務(wù)模型、統(tǒng)計(jì)模型、質(zhì)量模型。有了模型，才有了美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)（ASME）提出的Y14.41標(biāo)準(zhǔn)，即 MBD（Model-Based Definition，基于模型的定義），后來(lái)美國(guó)又提出MBE（Model-Based Enterprise，基于模型的企業(yè)），這樣就完整了。一個(gè)企業(yè)，它既有產(chǎn)品又有管理，就可以打造一個(gè)全數(shù)字化的企業(yè)。還有系統(tǒng)工程，過(guò)去的系統(tǒng)工程現(xiàn)在提升為MBSE（Model-Based Systems Engineering，基于模型的系統(tǒng)工程），當(dāng)然基于模型的系統(tǒng)工程之上還有架構(gòu)設(shè)計(jì)，如企業(yè)架構(gòu)等。

　　在Cyber空間中，有了完整的數(shù)字模型進(jìn)入CPS（Cyber Physical System，賽博物理系統(tǒng)），模型就會(huì)直接從數(shù)字樣機(jī)映射成物理產(chǎn)品。當(dāng)然，試驗(yàn)方式要有一個(gè)轉(zhuǎn)變，原先的試驗(yàn)方式是100%的實(shí)物模型，做實(shí)物仿真或縮比模型，隨著社會(huì)的發(fā)展，實(shí)物仿真造價(jià)太高，那么該怎么辦？要考慮半實(shí)物模型、縮比模型、半實(shí)物仿真和半物理仿真嗎？未來(lái)隨著發(fā)展，一定是基于全數(shù)字模型的虛擬仿真，現(xiàn)在很多產(chǎn)品已經(jīng)不需要物理模型了，而是設(shè)計(jì)制造試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)全模型化。

　　仿真分級(jí)

　　講到智能，必須考慮人的問(wèn)題。世界萬(wàn)物，只有人有智能。第一次、第二次工業(yè)革命解決了什么問(wèn)題？蒸汽機(jī)也好，電動(dòng)機(jī)也好，解決的是機(jī)器取代人力。第三次、第四次工業(yè)革命出現(xiàn)了電腦和現(xiàn)在的工業(yè)4.0，它取代的是人的腦力勞動(dòng)。我們要建設(shè)的工業(yè)體系，一定是人、機(jī)、物交互與深度融合的一個(gè)體系，其核心是CPS。

　　如何建立新的工業(yè)體系？首先是在Cyber環(huán)境中，完成產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)、方案設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品的分析仿真、工藝設(shè)計(jì)、工藝仿真、工裝設(shè)計(jì)、工裝仿真、裝配設(shè)計(jì)、裝配仿真等一系列流程，然后形成完整的產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)。其次是在計(jì)算機(jī)上建立的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，不斷地找出產(chǎn)品設(shè)計(jì)的問(wèn)題、工藝的問(wèn)題等，然后改進(jìn)計(jì)算機(jī)模型。最后是再映射實(shí)物的試驗(yàn)過(guò)程，這個(gè)就是Cyber Physical System，即完整的CPS架構(gòu)。但需要說(shuō)明的是，CPS可小可大，小到一個(gè)智能化小產(chǎn)品PLC處理器，大到整個(gè)地球，都可以用CPS來(lái)形容，這個(gè)智能系統(tǒng)一定是人、機(jī)、物關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)。

　　1997年9月，錢(qián)學(xué)森在給清華大學(xué)工程力學(xué)系建系40周年的賀信中寫(xiě)道：隨著力學(xué)計(jì)算能力的提高，用力學(xué)理論解決設(shè)計(jì)問(wèn)題成為主要途徑，而試驗(yàn)手段則變得次要了。由此，展望21世紀(jì)，“力學(xué)+電子計(jì)算機(jī)”將成為工程設(shè)計(jì)的主要手段，就連工程型號(hào)研制也是用“計(jì)算機(jī)+形象”來(lái)展示，稱(chēng)為“虛擬型號(hào)研制（Virtual Prototyping）”，就是現(xiàn)在所說(shuō)的數(shù)字樣機(jī)（Data Prototype）。

　　以液壓虛擬鐵鳥(niǎo)的研制為例。首先用機(jī)械CAD和CAE設(shè)計(jì)了鐵鳥(niǎo)的結(jié)構(gòu)樣機(jī)，用電子CAD和CAE設(shè)計(jì)了鐵鳥(niǎo)的控制系統(tǒng)數(shù)字樣機(jī)，由液壓系統(tǒng)CAD和CAE形成液壓子系統(tǒng)的數(shù)字樣機(jī)，然后再把控制數(shù)字樣機(jī)和液壓數(shù)字樣機(jī)裝配到結(jié)構(gòu)數(shù)字樣機(jī)上。這3個(gè)樣機(jī)形成了一個(gè)完整的全飛機(jī)液壓系統(tǒng)的數(shù)字樣機(jī)，將其和物理液壓試驗(yàn)的臺(tái)架、試驗(yàn)數(shù)據(jù)做關(guān)聯(lián)性分析，最后形成了一個(gè)液壓的虛擬鐵鳥(niǎo)。這個(gè)系統(tǒng)完成后，在其上做虛擬試驗(yàn)，可減少20%的物理試驗(yàn)成本。實(shí)際上在下一代飛機(jī)中，虛擬鐵鳥(niǎo)技術(shù)已經(jīng)推廣到了飛控系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、電子系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)中，這就是過(guò)程仿真的力量。

　　筆者認(rèn)為，仿真的發(fā)展才剛剛開(kāi)始，因此這個(gè)行業(yè)是朝陽(yáng)行業(yè)。其目標(biāo)是：縮短產(chǎn)品周期，降低產(chǎn)品成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。未來(lái)的研制方式就是仿真驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)和研制方式。

　　通過(guò)對(duì)數(shù)字樣機(jī)的仿真分析和虛擬試驗(yàn)來(lái)指導(dǎo)、簡(jiǎn)化、減少、替代部分實(shí)物試驗(yàn)，從根本上說(shuō)，就是要解決計(jì)算的數(shù)字模型和分析是否正確，是否反映真實(shí)產(chǎn)品的特性，這必須通過(guò)大量的、科學(xué)的驗(yàn)證試驗(yàn)并形成數(shù)據(jù)庫(kù)和模型庫(kù)，從而改進(jìn)并保證產(chǎn)品設(shè)計(jì)和分析的正確性。