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两化融合战略中的虚拟仿真技术
时间:2019-11-21    评论:0
    来源:航天工程与仿真技术
    作者:肖田元
    单位:国家 CIMS工程技术研究中心 清华大学信息学院

    在中央的信息化与工业化融合的发展战略中,仿真技术在各个领域发挥了很大的作用,得到了越来越多的认同。怎样进一步推广应用仿真技术、发展仿真技术,我想从这两个方面来谈一点看法,不对的地方请大家批评指正。

    我的发言分为 4个部分,即(1)仿真在两化融合中的作用,(2)虚拟制造加速产品创新能力提升,(3)虚拟制造加速产品创新案例,(4)两化融合需要发展仿真技术。最后给出一个简短的结论。

    一、仿真在两化融合中的作用

    中国是世界上第二制造大国,“大而不强”是迫切需要解决的问题,两化融合的战略也是在这种情况下提出来的。在落实信息化与工业化融合发展的战略中,如何加速我国从制造大国走向制造强国的进程是一个大家关心的问题。制造业的竞争,归根到底取决于产品,产品强才有竞争能力。产品强就必须有创新能力。如何提高我们国家的创新能力,有很多的论述。这一次论坛重点从仿真技术的角度来讨论,仿真技术在我国制造业发展过程中已经得到很多应用。那么,在两化融合的发展战略中,应该如何推广应用仿真技术以加速提升我国制造业的创新能力呢?

    这里,我想引用诺贝尔奖获得者哈默教授在他的一本著作中的一段话:“一个学生对爱因斯坦教授说,这些考题和去年是一样的。教授回答说,噢,是的,但其答案今年就不同了。”对于我们企业来说,“和去年一样”的考题是什么,就是创新能力。在不同的时代,要提升创新能力,会有不同的解决思路。

    在两化融合中,如何认识和利用仿真技术来加速产品创新能力,这是我发言内容的第一点。多年来,仿真技术在制造业的许多点上已经得到了应用。但是,美国前国家科学基金会主任 RitaColwell说过,“过去通常认为科学包含理论和实验两方面,现在科学还包含第三方面的内容,即计算机仿真,并由计算机仿真将理论和实验两方面联接起来。”美国前能源部科学办公室主任 RaymondL.Orbach也说过,“在 21世纪的科学中,仿真和高端计算是理论和实验科学的平等伙伴”。“仿真是一种与实验和理论对等的方法论”。因此,可以说,仿真已经成为人类认识世界的第三种方法。在两化融合的时代,我认为,需要把仿真技术提到这样一种高度来认识。

    实际上,我认为,仿真技术是信息化与工业化融合的典型技术,仿真不但要建模,而且要在计算机上实现、运行,这本身就是信息化的事情,同时,还要进行模型校验、确认,回到产品中去,即融合到工业化中。因此,信息化与工业化融合就应该大力推广应用仿真技术,全面系统地应用仿真技术。刚才刘永才院士的发言中介绍三院信息化时,把仿真融合到其中,也反映了这样一个思想。

    创新能力,就是对客观世界的新认识、新发现的能力。作为信息时代认识世界的第三种方法,仿真可以也应该为加速产品创新能力的提升做出重要的贡献,同时也需要进一步发展仿真技术来适应两化融合的需求。

 图1 传统制造与虚拟制造

    二、虚拟制造加速产品创新能力提升

    我国企业信息化发展已经有 20多年的历程,在产品设计开发方面,有 CAX、PDM、VM、CPC、PLM等技术;在管理方面,有 MRPII、PCS、ERP、MES、SCM、CRM等技术。这里,我想重点讨论虚拟制造(VM)。在两化融合阶段,虚拟制造成为人们关注的热点。特别是,在很多发达国家,虚拟制造从 90年代开始已经得到广泛应用,已经成为产品全生命周期的核心技术,这并不奇怪。

    虚拟制造的典型例子是波音 777开发。新加坡是全世界第一个订购波音777的,但是在新加坡订购的时候,这个飞机还没有生产出来,那么新加坡为什么敢去订购?美国人敢卖?原因在于,整个波音 777还没有生产的时候,整个虚拟样机及其制造过程已经在计算机上完成了。所有虚拟部件都进行了远距离实时集成测试,采用虚拟加工单元模仿制造过程,包括 NC机床刀位轨迹、铆接机翼的机器人运动轨迹等。飞行仿真器提供全天候飞行条件,实时接收数据,进行基于虚拟样机的飞行控制器测试,并交互式修改设计,最后对全部试飞工作进行了虚拟测试,而且可基于虚拟现实进行飞行训练。这样,未生产物理样机就获得订货,开发周期从过去 8年缩短到 5年。其它的典型例子也很多,如汽车行业,福特公司开发全数字化的轿车,节省花费 4200万美元,制造阶段节省费用 10亿美元,开发周期从 36个月缩短到 18个月,甚至 12个月。奔驰公司,过去新车定型要进行 150辆物理样车碰撞才能完成,现在只需要十分之一。

    什么是虚拟制造?参考国内外文献,这里给出一个定义:虚拟制造是实际制造过程在计算机上的本质实现,即采用计算机仿真与虚拟现实技术,在计算机上群组协同工作,实现产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验以及企业各级过程的管理与控制等产品制造的本质过程,以增强制造过程各级的决策与控制能力。

    相对于传统的“制造”(国外文献称为“小制造(small manu facturing)”的含义,“虚拟制造”是广义的制造,国外文献称为“大制造(big manu facturing)。图 1表示了两者的联系与区别。基于设计人员的创意,传统的实际制造是面向企业资源,以物理产品为目标,在制造过程中通过对物理样机的反复修改定型,周期长、成本高、更新换代困难。虚拟制造的目标是虚拟产品,在“制造”过程中是在计算机上对虚拟样机进行迭代优化,以得到最佳虚拟产品。同时,虚拟产品还用于对物理产品的修改和控制。虚拟制造不是 CAD、CAE、CAPP技术的单点应用,而是信息时代仿真技术面向制造的综合集成应用,是一种通过产品模型仿真来模拟和预测产品功能、性能及可制造性等各方面可能存在的问题,使得产品开发走出主要依赖于经验的狭小天地,发展到全方位预测的新阶段。虚拟制造基于产品三维实体模型和环境模型,在计算机仿真环境下,通过三维动画和虚拟现实,沉浸到由模型创建的虚拟环境中,自由设置虚拟传感器直接观察仿真结果,并利用人本身的智能进行信息融合,从而定量地把握未来产品的品质,对产品进行构思、设计、制造、测试和分析,进而优化产品设计。

    从应用的角度来看,虚拟制造可分为三类,即以设计为中心的虚拟制造、以生产为中心的虚拟制造以及以控制为中心的虚拟制造。

    以设计为中心的虚拟制造是为设计者提供设计和评估产品的支撑环境,在产品设计与工艺设计过程阶段就引入下游的加工、装配、运行、维护等信息,在计算机上仿真多种“虚拟”原型,在设计阶段就可以对零部件直至整机进行各种性能分析,旨在利用仿真来优化产品设计。其局部目标是针对设计阶段的某个关注点(如产品结构、可加工性、可装配性等)进行仿真和评估,全局目标是对整个产品的各方面性能进行仿真和评估,达到在实际产品开发出来之前就能了解“设计出来的产品将会是什么样”。目前,我国很多企业还处在两维到三维的过渡,主要是利用计算机实现产品表示、产品展示,也有局部利用仿真技术即 CAE进行零部件的分析,但全面实现以设计为中心的虚拟制造还有较长的路程要走。

    以生产为中心的虚拟制造的主要应用领域是工厂或工程的物理布局及生产计划的编排,以解决“这样组织生产是否合理”的问题。局部目标是针对生产中某些关注点(如生产计划)进行仿真;全局目标是对整个生产过程进行仿真,对各个生产计划进行评估。它将仿真技术加入到生产过程模型中,以此来方便和快捷地评价多种生产方案,检验新工艺流程的可信度、产品的生产效率、资源的需求状况,从而优化制造环境的配置和生产计划。主要支持技术包括离散事件系统(DEDS)仿真技术、嵌入式仿真技术等。

    以控制为中心的虚拟制造是将仿真技术加入到控制模型和实际生产过程中,从而实现制造系统的组织、调度与控制策略的优化。

    虚拟制造不但为现代制造提供超越人们已有的知识、经验来认识世界的技术手段,而且可实现产品的技术、知识的沉淀与积累,从而为持续提高创新能力提供有效支持。

    三、虚拟制造加速产品创新案例

    下面,我想通过两个实际的例子来说明,如何通过虚拟制造来提升中国企业的创新能力。

    目前,我国大多数企业的产品都经历从引进到仿制这样一个过程。从国外引进先进产品作为原型,采用逆向工程,对其进行测绘、分析、消化,再根据我国市场的情况进行变型设计。然而,随着产品的技术含量增加,国外企业从保护知识产权出发,产品的核心技术很难掌握,因此,变型设计的产品难以与国外的产品竞争。

    90年代末,中国的纺织机械产品设备、工艺落后,纺织产品竞争能力逐年下降,造成原材料、能源等资源大量浪费。中央经济工作会议决定把纺织工业确定为国有企业改革和解困的突破口,进行产品结构调整。根据国际市场的需求,纺机产品结构调整任务是从主导的有梭织机调整到无梭织机,国内无此产品。某企业花了 120万元进口了国外设备,按照传统的逆向工程做法,对该产品进行仿制,未能成功。这是一种无梭、高速、全自动化新型产品,五大运动系统(引纬、打纬、卷取、送经、开口)协调动作。后来该企业与清华大学合作,采用了虚拟制造技术,对五大运动系统进行了全面机理分析,找到并解决了关键技术,6个月生产了真正具有自主知识产权的产品,质量达到了同类产品的国际水平,其振动噪声还低于当时国际同类最先进的产品,对我国纺机行业的技术进步和产业结构优化升级产生了重大作用,迫使国外该产品从 120万元降到 60万元。后来该企业又在此基础上花了 1年时间,形成了具有国际竞争力的第 2代产品。这个例子说明,虚拟制造技术可以为逆向工程提供强有力的支持,可以帮助消化核心技术,掌握机理,进行真正的自主变型设计,从而获得具有自主知识产权的产品,达到产品创新。

    两化融合下产品特征是信息技术与工业技术融合,从而产品就更为复杂了。复杂产品的虚拟制造需要多学科协同仿真技术的支持,以实现集成创新。例如,高速动车是典型的复杂产品,我国高速动车大多是国外设计的,由我国相关企业制造。企业提出“引进→消化→硬化→优化”的发展战略。如何才能落实这一战略?特别是,所设计的产品对我国的轨道、气候的适应程度如何?安全性、舒适性能否保障?在 863计划的支持下,我们开发出协同设计、仿真、优化一体化平台,基于设计的三维模型,实现 8节车体及其悬挂系统一系、二系的弹簧、阻尼器、钩缓等进行多种工况下的协同仿真,分析舒适性指标、曲线通过性能、安全性指标(包括脱轨系数、减载率、轮轨横向力、轮轴横向力、倾覆系数)等;进行了动车组过曲线仿真,以弯道运行考察曲线通过半径、安全速度、脱轨系数、减载率、轮轴横向力等;还以转向架弹簧刚度、阻尼器阻尼系数为设计变量,以临界速度、舒适度为优化目标、安全性指标为约束函数,对悬挂系统进行协同优化,实现了悬挂系统优化设计等。在研制 400公里 /时高速检测列车动车组时,利用协同仿真平台,实现不同仿真工具(如 ABAQUS、ADAMS、VAMPIRE、MATLAB等)的分布集成与协同仿真,实现各种动力学仿真软件的结果数据输出和分析,实现高速检测列车在多种路谱工况下的列车性能分析,为高速检测列车开发提供技术分析手段。该技术还在地铁车等产品开发中得到了广泛应用,提升了产品开发能力和产品技术水平,缩短了产品开发周期,取得了良好的经济效益。

    我们的实践表明,中国的制造企业经过 20余年的信息化后,许多企业可以而且应该广泛而深入地应用虚拟制造技术,以加速形成具有自主知识产权的高附加值的产品,从而加速从“制造大国”到“制造强国”的转变。

    四、两化融合需要发展仿真技术

    信息化与工业化融合基本特征是 3I,即物联化(Instrumented,透彻感知);互联化(Interconnected,互联互通);智能化(Intelligent,自动化)。3I的支撑技术是3C融合,即通信(Communication)、计算(Computation)与控制(Control)。通信不仅是互联网通信,还要考虑无线网、移动网、卫星网;计算不仅是一般编程计算,还要考虑嵌入式计算、并行计算、虚拟计算;控制不仅是单机控制,而且要充分考虑分布人机交互与动态实时控制的结合。

    随着工业化和信息化的融合发展,3C融合产生一类新型系统,即 CPS(Cyber Physical System),值得关注。CPS是计算网络和物理环境融合的多维复杂系统,通过 3C的有机融合与深度协作,实现大型工程系统的实时感知、控制和信息服务。CPS将让整个世界互联起来,如同互联网改变了人与人的互动一样,CPS将会改变我们与物理世界(包括人)的互动。计算机和网络实现功能扩展的物理设备无处不在,并将推动工业产品和技术的升级换代。人们认为,CPS不仅会催生出新的工业,甚至会重新排列现有产业布局。

    2007年,美国总统科学技术顾问委员会在《挑战下的领先—竞争世界中的信息技术研发》的报告中列出了 8个大关键的信息技术,CPS位列首位,美国自然基金确定将 CPS作为未来 15年最优先资助(toppriority)的领域。在欧洲,CPS的术语是整体工程(EnsembleEngineering),并作为未来 15~20年的主要研究方向,计划从 2007年到 2013年在 ARTMEIS上投入 54亿欧元(超过 70亿美元)。

    CPS的产生会对仿真技术的发展产生什么影响呢?在所有的有关 CPS的报告当中,几乎都认为 CPS的建模与仿真技术是其研究与开发的关键,这是值得我们仿真科技工作者关注的。CPS将计算过程、通讯过程和物理过程融合起来,连续过程与离散事件交织,规模大小、时空跨度各异,系统通信和交互方式多变,系统高度自动、自治、协调,规模可变,系统结构具有联邦式、分布式、开放型、可重构性等。这些特点,无疑对仿真技术的发展产生深刻影响,需要发展新的仿真技术以支持 CPS的发展,包括

    (1)多面向建模:CPS物理部件具有带资源约束的信息处理能力。系统或物理部件中嵌入了软件,计算过程与物理过程深度集成,且计算能力与网络带宽通常有限,不同部件一般有不同的时空粒度,严格地受到空间与实时能力的约束。

    (2)支持可伸缩性:一个 CPS的传感器和致动器可能少则几十个,多则几千个,而且这些实体之间是松耦合的,可以自由地加入与退出系统,框架应能提供相应的通信机制,保证在不同规模的情况下均能高效正确地进行仿真,而性能不会有太多的影响。

    (3)支持可移动性:具有对移动性进行建模的能力(例如通信方式、位置变化引起信号强度的变化等)。

    (4)混合式仿真:CPS通常是异构的,既包含有连续系统,也包含有离散事件系统,而且两者必须协同,因此仿真框架不但能支持 DEDS仿真与 CVDS仿真,而且易于支持两者应用逻辑同步仿真。

    (5)全局参考时间:CPS通常由多种异构的系统组成,因此要提供异构应用逻辑的并发仿真能力,这就要求按时间进行全局事件排序以及部分事件排序,全局参考时间是不可缺少的。

    (6)基于开放性标准的集成:标准的开放性至关重要,包括协议、基础设施与开发平台,这才能保证现有环境可易于集成到该框架中。

    目前,已有的框架有些采用将现有的仿真工具进行紧密集成的模式。典型的有,将物理系统的仿真工具加以扩展从而也可以仿真离散事件和网络,例如基于 Simulink的原版 TrueTime、基于 Modelica的较新版 TrueTime,以及 Ptolemy的扩展 VisualSense;将成熟的网络仿真工具与成熟的物理系统仿真工具结合起来,例如 ADEVS与 ns-2集成、Simulink与 ns-2集成、Modelica与 ns-2集成,以及Agent/Plant及其后续版本等。

    另一种技术路线是在 HLA标准上继续发展。有两种做法,一种是在继承原有 HLA标准的基础上,进行改进。例如,IEEE推出新的 HLAevolved标准,对IEEE1516的多方面进行了扩展,包括将 FOM模块化,增加容错机制、以及改进部分接口规范等。另一种是抛开原有的 HLA标准,建立新的更加完善的标准,典型的是 XMSF。主要是将建模与仿真的适用范围扩展到互联网以及基于 MDA建模。另外,还有 Steinman等综 合 以 往 技 术,提 出 普 适 的 标 准 仿 真 体 系 结 构(StandardSimulationArchitecture,SSA)。

    所有这些进展,均难以充分满足 CPS仿真根本特征的需求。因此,可以说CPS建模与仿真对仿真技术提出了新的挑战。今天,听了李伯虎院士关于“复杂系统高效能建模仿真技术”的发言,期望李院士的高效能仿真平台能够较好地支持 CPS仿真的需求。

    最后,我就我的发言做一个简短的小结:在两化融合发展战略中,产品创新是我国制造业重要的发展战略,虚拟制造是一种能有效支持产品创新的先进仿真技术,可为加速我国从制造大国到制造强国的转变提供有力的技术支持。CPS将推动工业产品和技术的升级换代,甚至会重新排列现有产业布局,CPS的建模与仿真技术是其研究与开发的关键支撑技术,也是仿真技术研究的热点和重要的发展方向,值得关注。

    作者简介:肖田元 

    1970年毕业于清华大学,现任国家 CIMS工程技术研究中心常务副主任,清华大学信息学院学术委员会副主任委员。中国系统仿真学会常务副理事长,中国自动化学会荣誉理事、系统仿真专业委员会主任委员。主要研究方向:虚拟制造与系统仿真、CIMS与网络化制造。发表论文 200余篇,出版著作 11部,获得省部级科技进步奖 11项,其中国家科技进步二等奖 1项,三等奖 2项,部级一等奖3项。
标签:两化融合工业制造
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