仿真的概念

仿真从字面意思来理解，也就是模仿真实的环境。通常在仿真领域分为大概六种：

1. 传统的CAE仿真：比如对机构受力的3D模拟，找出机构设计的可能存在的缺陷及极限

2. 系统仿真：俗称物流仿真，是对生产等系统进行方案事先模拟，优化

3. 多物理仿真：是模拟物理场景对设备或机构等对象造成的可能影响

4. 物理仿真：可以理解为在产品制造中，利用实验室模型对产品性能等在各种情况下的检测

5. 虚拟现实：贴近来说，好比玩游戏，如开模型飞机，利用外设在电脑里开汽车

6. 数据分析与优化：比如用MATLAB采集一定的数据，对可能发生的情况预测

那今天这里主要讲系统仿真与控制，什么是仿真呢？

仿真（Simulation）：也称模拟，就是对现有或未来系统进行建模并实验研究的过程。

模拟主要的两大类是离散事件模拟与连续模拟

离散事件模拟（discrete-event simulation）是以随机时间点系统发生的状态改变当作离散事件的结果。

连续模拟（continuous simulation）是系统状态的改变随时间连续的发生。

仿真在制造业中的作用与优势

為什麼需要仿真？

仿真提供一種驗證最佳決策之方法，仿真避免昂貴，費時及破碎式的試誤法

那在制造业中为啥需要仿真

• 实际的系统还未存在

建构未来的飞机场/厂房等

• 实际的系统已经存在

修改工厂的制造流程

• 分析或预测复杂处理行为

生产线上的动态排程问题

• 数学公式无法提供分析或数值解

非函数分配的多个服务者且等候有限的问题

运用仿真的典型目标：

系统性能分析

--利用率/稼动率，UPH，库存水平，流程时间，物流量等等

容量/约束分析

--什么限制了产能？瓶颈在哪里？WIP？

方案比较

--几个可选方案中哪个是最好的？

灵敏度分析

--决策变数的变化对最终结果的影响程度(What if分析)

视觉化

--将仿真的结果形象的显示出来

仿真的角色

• 解说(Explanatory devices)

用来定义或诠释一个系统流程行为

• 设计评估(Design assessors)

评估不同的建议性方案

• 分析(Analysis vehicles)

分析影响系统行为的重要因子

• 预测(Predictors)

用来预期可能发生的状况以规划未来发展

仿真的效益

1.时间

避免建立实体试验，减少验证时间

2.成本

避免建立实体试验，减少验证成本

3.技术

电脑精确计算，提高方案的可行性

直观立体的三维仿真动画

4.风险

减少验证影响生产的风险

减少设计错误的风险

5.附加

增强对设计的信心

仿真在制造业中的应用类型

智能制造难点在模型，焦点在仿真

中国讲两化融合，第一个化是工业化，即工业技术（Industry Technology），由于中国的工业技术与世界先进水平差距较大，因此我们要补工业化的课；第二个化是信息化，即信息技术（Information Technology），因为有华为这样的世界一流公司，可以说，中国的信息技术和世界是接轨的。实际上，信息技术和工业技术的深度融合就是两化融合。两化融合内容非常丰富。按照中国制造2025的部署，就是创新驱动、提质增效、绿色发展、两化深度融合为主线、智能制造为突破口。

智能制造的基础是网络化和数字化。网络化的含义是连接人、机、物，也就是物联网或者工业互联网，也称为第二代互联网。提起数字化就离不开数字模型和过程仿真，本文将主要论述这两方面。当然，数字模型是仿真的基础，过程仿真是航空航天大规模应用几十年来特别擅长的领域，也是取得巨大成效的领域。

数字模型

数字模型有两类，一类是工程模型，另一类是管理模型。其中，工程模型也分为两类：产品模型和产品研制过程模型。本文重点研究产品模型和过程仿真。CAD（Computer Aided Design）技术是建立模型，CAE（Computer Aided Engineering）技术就是模型的确认，即过程仿真。CAE的发展一直随着计算机的硬件、软件、操作系统和数据库的发展而壮大。工业技术通常分为设计、制造和试验三大类，从产品需求和市场调研开始，就可以做仿真，做方案设计时也要做仿真，做方案的特点是方案不止一种，做方案时要用多种方案来做优化设计，并且要做大量的仿真对比，然后进入工程研制阶段的设计、试制、试验过程，再进行工程研制完成以后的设计定型，生产定型，批量生产，产品交付，最后到服务保障。整个工业体系中，仿真必不可少。

传统的工业体系是物理或者叫实体（Physical）,基于物理的原型和模型，设计制造试验，如果试验时检测产品的功能和性能满足不了要求，就扔掉，然后再来一遍，这就是典型的以爱迪生为代表的传统工业体系的试错法。当进入了现代工业社会，就要在 Cyber虚拟空间用模型表达， CAD做机械系统和电气系统、流体模型和过程模型，当然，管理也有模型，如人力资源模型、财务模型、统计模型、质量模型。有了模型，才有了美国机械工程师学会（ASME）提出的Y14.41标准，即 MBD（Model-Based Definition，基于模型的定义），后来美国又提出MBE（Model-Based Enterprise，基于模型的企业），这样就完整了。一个企业，它既有产品又有管理，就可以打造一个全数字化的企业。还有系统工程，过去的系统工程现在提升为MBSE（Model-Based Systems Engineering，基于模型的系统工程），当然基于模型的系统工程之上还有架构设计，如企业架构等。

在Cyber空间中，有了完整的数字模型进入CPS（Cyber Physical System，赛博物理系统），模型就会直接从数字样机映射成物理产品。当然，试验方式要有一个转变，原先的试验方式是100%的实物模型，做实物仿真或缩比模型，随着社会的发展，实物仿真造价太高，那么该怎么办？要考虑半实物模型、缩比模型、半实物仿真和半物理仿真吗？未来随着发展，一定是基于全数字模型的虚拟仿真，现在很多产品已经不需要物理模型了，而是设计制造试验实现全模型化。

仿真分级

讲到智能，必须考虑人的问题。世界万物，只有人有智能。第一次、第二次工业革命解决了什么问题？蒸汽机也好，电动机也好，解决的是机器取代人力。第三次、第四次工业革命出现了电脑和现在的工业4.0，它取代的是人的脑力劳动。我们要建设的工业体系，一定是人、机、物交互与深度融合的一个体系，其核心是CPS。

如何建立新的工业体系？首先是在Cyber环境中，完成产品的概念设计、方案设计、初步设计、详细设计、产品的分析仿真、工艺设计、工艺仿真、工装设计、工装仿真、装配设计、装配仿真等一系列流程，然后形成完整的产品数字样机。其次是在计算机上建立的虚拟实验环境中，不断地找出产品设计的问题、工艺的问题等，然后改进计算机模型。最后是再映射实物的试验过程，这个就是Cyber Physical System，即完整的CPS架构。但需要说明的是，CPS可小可大，小到一个智能化小产品PLC处理器，大到整个地球，都可以用CPS来形容，这个智能系统一定是人、机、物关联的系统。

1997年9月，钱学森在给清华大学工程力学系建系40周年的贺信中写道：随着力学计算能力的提高，用力学理论解决设计问题成为主要途径，而试验手段则变得次要了。由此，展望21世纪，“力学+电子计算机”将成为工程设计的主要手段，就连工程型号研制也是用“计算机+形象”来展示，称为“虚拟型号研制（Virtual Prototyping）”，就是现在所说的数字样机（Data Prototype）。

以液压虚拟铁鸟的研制为例。首先用机械CAD和CAE设计了铁鸟的结构样机，用电子CAD和CAE设计了铁鸟的控制系统数字样机，由液压系统CAD和CAE形成液压子系统的数字样机，然后再把控制数字样机和液压数字样机装配到结构数字样机上。这3个样机形成了一个完整的全飞机液压系统的数字样机，将其和物理液压试验的台架、试验数据做关联性分析，最后形成了一个液压的虚拟铁鸟。这个系统完成后，在其上做虚拟试验，可减少20%的物理试验成本。实际上在下一代飞机中，虚拟铁鸟技术已经推广到了飞控系统、电气系统、电子系统、机械系统中，这就是过程仿真的力量。

笔者认为，仿真的发展才刚刚开始，因此这个行业是朝阳行业。其目标是：缩短产品周期，降低产品成本，提高产品质量。未来的研制方式就是仿真驱动的设计和研制方式。

通过对数字样机的仿真分析和虚拟试验来指导、简化、减少、替代部分实物试验，从根本上说，就是要解决计算的数字模型和分析是否正确，是否反映真实产品的特性，这必须通过大量的、科学的验证试验并形成数据库和模型库，从而改进并保证产品设计和分析的正确性。

（作者为中国航空工业集团公司信息技术中心首席顾问）