作為德國工程協(xié)會(huì)(VDMA)的重要成員，德國工程仿真軟件公司ITI參與并推動(dòng)了德國工業(yè)4.0標(biāo)準(zhǔn)的制定和修正，其董事總經(jīng)理Andreas Uhlig博士認(rèn)為要實(shí)現(xiàn)在信息物理系統(tǒng)(Cyber—PhysicalSystem)基礎(chǔ)上的工業(yè)4.0藍(lán)圖，基于仿真的虛擬產(chǎn)品開發(fā)是智能生產(chǎn)制造的驅(qū)動(dòng)力。
在過去的幾年里，ITI與一汽開發(fā)AMT，與東風(fēng)開發(fā)DCT，并與山東盛瑞傳動(dòng)深入開發(fā)八擋自動(dòng)變速器。這些工作使ITI積累了豐富的國際合作經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也使ITI成為德國工業(yè)4.0框架中的核心企業(yè)。
這次，《汽車商業(yè)評(píng)論》特邀Dr.Andreas Uhlig為本刊封面故事撰稿，他除了從技術(shù)層面剖析仿真在未來智能生產(chǎn)制造的關(guān)鍵作用，還提醒中國汽車業(yè)倘若想從汽車制造大國轉(zhuǎn)變?yōu)檎莆赵E竅的汽車制造強(qiáng)國，必須提高研發(fā)和技術(shù)創(chuàng)新的能力，通過原始創(chuàng)新、綜合創(chuàng)新和對(duì)其他國家汽車工業(yè)技術(shù)的引進(jìn)和消化吸收來形成比較完整的制造體系。
在他看來，中國汽車技術(shù)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)還很薄弱，中國車企尚未躋身全球OEM和零部件供應(yīng)商100強(qiáng)。這意味著中國企業(yè)可能還沒有很好地掌握產(chǎn)品開發(fā)流程和流程管理技術(shù)、項(xiàng)目管理和評(píng)估技術(shù)，中國企業(yè)可能還沒有足夠好地掌握系統(tǒng)繼承技術(shù)、組件開發(fā)的技術(shù)，也可能是缺乏產(chǎn)品開發(fā)所需的技術(shù)數(shù)據(jù)。
但Uhlig認(rèn)為，中國最終會(huì)采取西方OEM廠商的產(chǎn)品開發(fā)和質(zhì)量管理技術(shù)，因?yàn)橹挥袘{借先進(jìn)的開發(fā)體系和成功的質(zhì)量管理，公司才會(huì)不斷取得成功。
全世界都對(duì)工業(yè)
在德國，工業(yè)4.0的概念基本上是人們熟知多年的、基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的產(chǎn)品開發(fā)和制造的延續(xù)，比如計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)和計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)。
不同的是，過去計(jì)算資源相當(dāng)有限，硬件也不夠穩(wěn)定，而今天，我們具備了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的有利條件，因?yàn)閺?qiáng)大的計(jì)算能力和互聯(lián)網(wǎng)能夠把這些計(jì)算資源整合在一起。
為了加快進(jìn)展，數(shù)家德國協(xié)會(huì)包括德國工程協(xié)會(huì)(VDMA，ITI是其中的積極成員)成立了名為“工業(yè)4.0”的平臺(tái)，它的核心指的是向著智能工廠轉(zhuǎn)變，即產(chǎn)品和機(jī)械制造高度集成——可以稱之為第四次工業(yè)革命。
事實(shí)上，歐洲、亞洲、美洲等越來越多的制造商們都紛紛參與到產(chǎn)品集成式開發(fā)中。
相比傳統(tǒng)的工業(yè)價(jià)值鏈，虛擬樣機(jī)作為集成式價(jià)值網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，不再只用于產(chǎn)品研發(fā)，它所衍生的CAE數(shù)據(jù)還用于整個(gè)產(chǎn)品生命周期。
但是，這種數(shù)字化的未來，要求所有參與產(chǎn)品開發(fā)的合作伙伴，無論是OEM廠商或中小供應(yīng)商，都要使用相同的數(shù)據(jù)。
作為一家德國的工程軟件公司，我們當(dāng)然希望為這一趨勢做出積極貢獻(xiàn)并推動(dòng)一些重要議題的進(jìn)展，諸如工具集成、FPGA(Field Programmable Gate Array現(xiàn)場可編程門陣列)的支持，F(xiàn)MI(功能樣機(jī)接口)和基于云技術(shù)的工程。
雖然大家都在熱議工業(yè)
根據(jù)BITKOM(德國信息產(chǎn)業(yè)、電信和新媒體協(xié)會(huì)，工業(yè)4.0的發(fā)起者之一)的最近的一項(xiàng)研究顯示，德國機(jī)械制造、汽車、電子和化工領(lǐng)域44%的公司已經(jīng)在進(jìn)行某種形式的工業(yè)4.0應(yīng)用。但大多數(shù)強(qiáng)大的德國中小制造商還沒有意識(shí)到這種數(shù)字化手段的潛力，他們害怕嘗試并擔(dān)心其安全問題。
這可能是由于一方面德國國內(nèi)市場比較小，另一方面也缺乏實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0的實(shí)用主義精神。較大的國家如美國和中國，互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)往往能迅速積聚人氣，工業(yè)4.0先驅(qū)者們的步伐更快，由于沒有那么多既定標(biāo)準(zhǔn)，他們自己建立了事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。
為了迅速增加德國工業(yè)4.0工廠的數(shù)量，并在這些事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的定義中把握主動(dòng)權(quán)，德國政府將承擔(dān)起監(jiān)督的角色，在內(nèi)容和結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面重新加以規(guī)劃，在更加寬泛的政治和社會(huì)層面上推動(dòng)工業(yè)4.0。
和其他許多德國企業(yè)家一樣，我認(rèn)為政治本身無法管理工業(yè)4.0的實(shí)施，但我樂觀地認(rèn)為，會(huì)有更多的德國中小企業(yè)家以良好的心態(tài)和過人的膽識(shí)在其特定領(lǐng)域推進(jìn)這一變革。
對(duì)于作為德國經(jīng)濟(jì)支柱的本土工業(yè)，尤其是中小型企業(yè)而言，這是保持其主導(dǎo)地位、維持其產(chǎn)品“德國制造”優(yōu)質(zhì)口碑的必由之路。
更高的生產(chǎn)率從哪兒來
研發(fā)部門，尤其是汽車研發(fā)部門，早已認(rèn)識(shí)到使用仿真工具對(duì)其日常工作的重要性。實(shí)施工業(yè)4.0后，可持續(xù)使用的數(shù)據(jù)將使德國汽車工業(yè)的生產(chǎn)效率得到極大改善。
考慮到來自不同工業(yè)領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)的持續(xù)使用，新能源動(dòng)力總成的研發(fā)效率甚至?xí)靡栽鰪?qiáng)。
未來的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)長什么樣?功率密度、能源效率、靈活度、動(dòng)態(tài)特性和駕駛舒適性的水平如何?不同的物理系統(tǒng)之間的交互將達(dá)到何種程度，并且如何使其復(fù)雜的技術(shù)聯(lián)系更為透明化?
為了回答諸如此類的問題，世界各地的研發(fā)工程師們都在對(duì)包括ITI在內(nèi)的專業(yè)工程服務(wù)和仿真工具充滿期待?，F(xiàn)在，我們的客戶包括諸如寶馬、戴姆勒以及大眾汽車等知名跨國汽車制造商，我們滿足來自他們對(duì)CAE數(shù)據(jù)的要求，這些數(shù)據(jù)一旦創(chuàng)建，將可用于整個(gè)產(chǎn)品生命周期。
那么，工程師能采用物理仿真和分析做什么呢?——我們都知道，新產(chǎn)品應(yīng)該更緊湊、更有效并更可靠，另一方面，產(chǎn)品的開發(fā)應(yīng)更靈活且周期更短，而虛擬仿真工具除了可以幫助實(shí)現(xiàn)以上目的，還能幫助在產(chǎn)品開發(fā)過程中節(jié)省時(shí)間和金錢。
這對(duì)于大多數(shù)行業(yè)都至關(guān)重要，對(duì)于汽車、能源或石油和天然氣行業(yè)、宇航和防務(wù)系統(tǒng)、醫(yī)療、采礦、造船等行業(yè)尤其如此。
ITI的SimulationX設(shè)計(jì)初衷就是為了實(shí)現(xiàn)這些功能。借助大量預(yù)先定義好的針對(duì)特定應(yīng)用開發(fā)的模型庫，如機(jī)械庫、氣動(dòng)庫、熱力學(xué)庫、聲學(xué)庫或電子庫等，工程師能夠快速地創(chuàng)建復(fù)雜的系統(tǒng)模型。
而基于建模語言Modelica的模塊化底層結(jié)構(gòu)讓軟件變得功能強(qiáng)大。它支持面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)建模方法。
這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于模擬系統(tǒng)功能的同時(shí)能夠直達(dá)其物理本質(zhì)。除此之外，這一語言使用戶對(duì)已有模型進(jìn)行改變或擴(kuò)展，甚至從頭開始創(chuàng)建自己的模型變得更加容易。在工業(yè)4.0中，這對(duì)預(yù)算有限且只臨時(shí)要求高性能仿真計(jì)算的公司非常重要。
需要強(qiáng)調(diào)的是，持續(xù)可用、能夠適用于整個(gè)產(chǎn)品生命周期的數(shù)據(jù)是工業(yè)4.0的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)它，通用的功能樣機(jī)接口(FMI)非常重要，F(xiàn)MI旨在成為CAE數(shù)據(jù)交互的通用接口，適用于不同的開發(fā)環(huán)境或行業(yè)部門。這種適應(yīng)性最終將催生更高的生產(chǎn)率，因?yàn)镃AE數(shù)據(jù)一旦生成，就能夠在整個(gè)產(chǎn)品生命周期中使用。
舉兩個(gè)我們曾做過的應(yīng)用案例。
第一個(gè)是我們幫助寶馬汽車優(yōu)化動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)和液控技術(shù)，其中一個(gè)應(yīng)用是鮑登拉線(Bowden
Cable)的仿真。在項(xiàng)目早期概念設(shè)計(jì)階段，我們能夠基于模型進(jìn)行評(píng)估而無需進(jìn)行物理樣機(jī)測試，這意味著設(shè)計(jì)變更的周期更短，設(shè)計(jì)成本顯著降低。最終，BMW將該仿真解決方案應(yīng)用于研發(fā)流程中其他更多的領(lǐng)域。
第二個(gè)是幫助全球主要的汽車零部件供應(yīng)商之一采埃孚快速建立各種簡單和復(fù)雜的動(dòng)力總成模型。通過CAE工具制定傳動(dòng)部件的優(yōu)化目標(biāo)，采埃孚的工程師在概念設(shè)計(jì)階段就能實(shí)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)減振器優(yōu)化任務(wù)，從而在后續(xù)過程構(gòu)建樣機(jī)時(shí)節(jié)省了時(shí)間和費(fèi)用。
工業(yè)4.0集成了過去獨(dú)立運(yùn)行的各種系統(tǒng)和機(jī)械設(shè)備，使得這些機(jī)械設(shè)備成為更為寬泛的流程(系統(tǒng))的一個(gè)有機(jī)組成部分(組件)，人們不僅需要考慮組件之間的相互作用，還要考慮部件自身的磨損。最終，由此帶來的高復(fù)雜度只能通過仿真手段來應(yīng)對(duì)。
而在工業(yè)4.0環(huán)境中運(yùn)行的仿真工具不僅需要符合一定的仿真數(shù)據(jù)管理和版本管理的要求，還要能集成到產(chǎn)品生命周期管理中。
現(xiàn)在，系統(tǒng)仿真市場的增長速度超過了其他CAE或CAD市場，充分反映了這一發(fā)展趨勢。現(xiàn)有的企業(yè)內(nèi)部解決方案不斷被商業(yè)軟件工具替代，因?yàn)樗鼈冞\(yùn)行可靠，并可持續(xù)維護(hù)和升級(jí)。
仿真工具必須具備一定的靈活性，能快速適應(yīng)客戶需求：用戶不僅可以定制所需的工具模塊，還能夠靈活定制軟件許可證數(shù)量。這就是說，內(nèi)部部署的許可證模式(在本地機(jī)器上運(yùn)行正版軟件)這一傳統(tǒng)觀念越來越多伴隨著新的概念，比如在云端運(yùn)行。
智能生產(chǎn)的驅(qū)動(dòng)力
通常，產(chǎn)品開發(fā)是由工程師和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)驅(qū)動(dòng)的，而CAE仿真工具只用于驗(yàn)證各種功能。當(dāng)工程師在開發(fā)的后期發(fā)現(xiàn)某一部件沒有按照預(yù)期方式運(yùn)行時(shí)，這種產(chǎn)品開發(fā)方式可能會(huì)變得相當(dāng)昂貴。
在汽車或航空等領(lǐng)域，仿真或者至少是系統(tǒng)仿真，已經(jīng)在整個(gè)開發(fā)過程中取得一席之地，并已成為一個(gè)決定性的因素，特別是在基本功能必須得到保證的開發(fā)過程的早期階段。制造商已經(jīng)意識(shí)到，基于計(jì)算數(shù)據(jù)的早期決策可以走得更遠(yuǎn)。
由這些行業(yè)推動(dòng)，一個(gè)叫做“前端載入”(frontloading)的新趨勢已經(jīng)出現(xiàn)。它提高了資源利用率，使開發(fā)人員盡可能早地認(rèn)識(shí)到未來產(chǎn)品的更多細(xì)節(jié)，以較低的成本代價(jià)靈活改變產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案。
包括汽車公司在內(nèi)的很多制造企業(yè)已經(jīng)在產(chǎn)品開發(fā)的早期階段使用仿真數(shù)據(jù)以保證質(zhì)量，并把資金投入到研發(fā)人員、工具、仿真軟件和測試上，這反過來帶來了回報(bào)：更短的產(chǎn)品上市周期，同時(shí)可以更好地避免錯(cuò)誤，確保高質(zhì)量和高可靠性，并最終降低成本。因此，基于仿真的虛擬產(chǎn)品開發(fā)是未來工業(yè)生產(chǎn)的驅(qū)動(dòng)力。
在目前的產(chǎn)品開發(fā)過程中，各種方法和配套軟件都被用于系統(tǒng)級(jí)分析和多學(xué)科領(lǐng)域仿真分析。這是連續(xù)工程(Continues Engineering)方法論的兩個(gè)關(guān)鍵部分，這兩部分過去沒有交集，只是在有限的應(yīng)用場合由各自團(tuán)隊(duì)實(shí)施的時(shí)候有少量交集。
連續(xù)工程是一個(gè)企業(yè)用以加速交付日益復(fù)雜和互聯(lián)的產(chǎn)品的一種能力，這是工業(yè)4.0背景下的一個(gè)重要能力，主要通過幫助工程師加快學(xué)習(xí)了解整個(gè)生命周期，同時(shí)管控成本、質(zhì)量和風(fēng)險(xiǎn)來實(shí)現(xiàn)。它反映了當(dāng)今制造企業(yè)期待的理想狀態(tài)，即不間斷的工程實(shí)施，同時(shí)企業(yè)能夠應(yīng)對(duì)和適應(yīng)來自內(nèi)部和外部的變化，從一而終的提供市場主導(dǎo)產(chǎn)品和系統(tǒng)。
過去幾年中，我們已經(jīng)看到現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品正朝著多領(lǐng)域、信息—物理交聯(lián)方向發(fā)生巨大轉(zhuǎn)變。這就是工業(yè)4.0的指向——以信息物理融合系統(tǒng)(CPS)為基礎(chǔ)，以生產(chǎn)高度數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、機(jī)器自組織為標(biāo)志的第四次工業(yè)革命。
現(xiàn)代化系統(tǒng)不再僅僅由軟件、硬件或機(jī)械部件自身構(gòu)成。這些融多學(xué)科于一身的操作單元以及軟件、固件、硬件和多物理系統(tǒng)之間的模糊區(qū)別正是使這些新系統(tǒng)更加智能，同時(shí)也更難以設(shè)計(jì)、分析、測試和驗(yàn)證的原因。
機(jī)械、電子和軟件的協(xié)同性要求不僅使設(shè)計(jì)復(fù)雜化，如果跨學(xué)科的設(shè)計(jì)變更不能有效準(zhǔn)確地協(xié)同起來，也可能導(dǎo)致項(xiàng)目延遲啟動(dòng)并增加成本與風(fēng)險(xiǎn)。
這些異構(gòu)的程序，以及典型的跨硬件和軟件學(xué)科的多級(jí)供應(yīng)鏈甚至?xí)?duì)產(chǎn)品質(zhì)量和發(fā)貨造成更大的挑戰(zhàn)。
為了應(yīng)對(duì)這些新生信息—物理系統(tǒng)的挑戰(zhàn)，尤其是為了降低在開發(fā)后期才發(fā)現(xiàn)的子系統(tǒng)間相互干擾的風(fēng)險(xiǎn)，需要開發(fā)新的技術(shù)。
這些新的工程方法應(yīng)該能夠?qū)Υ笮投囝I(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行高效的建模、分析、優(yōu)化和驗(yàn)證。這是系統(tǒng)級(jí)建模和物理仿真之間的關(guān)聯(lián)發(fā)揮關(guān)鍵作用的地方。
如今行業(yè)中有兩條飛快發(fā)展的主線：基于模型的系統(tǒng)工程(MBSE)和一維到三維的物理仿真(Physical 1D to 3D simulation)。
MBSE是一種采用模型化手段為系統(tǒng)需求論證、設(shè)計(jì)、分析、驗(yàn)證和校核等環(huán)節(jié)提供支持的正規(guī)理念和方法，從概念設(shè)計(jì)階段開始一直貫穿整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)周期。
這種方法使系統(tǒng)工程更好地把握、分析、改進(jìn)系統(tǒng)的要求和功能，并與其他工程手段實(shí)現(xiàn)無縫對(duì)接。
今天，大多數(shù)航宇防務(wù)、汽車、工業(yè)產(chǎn)品、電子、能源、公共事業(yè)、醫(yī)療設(shè)備等行業(yè)的公司正朝著“系統(tǒng)方法”轉(zhuǎn)變，將系統(tǒng)作為一個(gè)整體進(jìn)行分析，并揭示由多學(xué)科相互作用引起的突發(fā)行為。目前最普遍的MBSE建模語言是SysML。
考慮到高昂的測試成本，那些想在昂貴的物理樣機(jī)建立之前驗(yàn)證其產(chǎn)品變型的公司越來越多地采用仿真手段來驗(yàn)證他們的設(shè)計(jì)，這便有了一維到三維物理仿真(Physical 1D to 3D simulation)。
設(shè)計(jì)者通過物理仿真模擬包括機(jī)械、電氣、電子、液壓、熱、控制和電力元件在內(nèi)的復(fù)雜物理系統(tǒng)，并基于仿真分析評(píng)估和優(yōu)化產(chǎn)品性能。
工業(yè)界一直對(duì)此抱有極大的興趣。不斷增長的仿真軟件用戶數(shù)和大量對(duì)建模標(biāo)準(zhǔn)如Modelica和FMI感興趣的工業(yè)企業(yè)，無不證明物理仿真正成為每個(gè)現(xiàn)代化產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
標(biāo)準(zhǔn)化接口的重要性
盡管如此，把這兩條主線連接在一起的工作如今卻甚少開展。有可能當(dāng)一份由系統(tǒng)工程師完成的分析報(bào)告擺在從事物理設(shè)計(jì)的工程師面前時(shí)，卻沒有真正的技術(shù)手段讓從事系統(tǒng)工程的團(tuán)隊(duì)和從事電氣工程、機(jī)械工程、材料工程的團(tuán)隊(duì)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上進(jìn)行有效互動(dòng)和并行設(shè)計(jì)。
我們稱這種必需的數(shù)據(jù)集成為“動(dòng)態(tài)集成”，而不是靜態(tài)集成，靜態(tài)集成中我們關(guān)心數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)元素之間的聯(lián)系，而在這里我們所關(guān)心的是系統(tǒng)行為——系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)/時(shí)域特性。這其中主要的挑戰(zhàn)是讓不同的CAE工具協(xié)同工作。
我們需要了解這一點(diǎn)以填補(bǔ)工具鏈的斷層，確保系統(tǒng)工程和專業(yè)學(xué)科領(lǐng)域方面的工作內(nèi)容可以共存，互動(dòng)，交互信息并一起參與分析，例如聯(lián)合仿真。
不僅廠家和供應(yīng)商能夠一起協(xié)同工作，公司內(nèi)部不同部門也可以協(xié)同工作。為確保工作流程無縫銜接，工程師必須在充分了解系統(tǒng)的前提下，耦合不同工具并模擬復(fù)雜系統(tǒng)。
這正是
所謂FMI，即功能樣機(jī)接口，它定義了標(biāo)準(zhǔn)化的接口，用于復(fù)雜信息物理系統(tǒng)開發(fā)時(shí)的仿真分析。我們相信FMI標(biāo)準(zhǔn)具有整合設(shè)計(jì)階段及之后的各種流程的潛力，它通過模型將不同架構(gòu)粘在一起，這些模型可在支持FMI標(biāo)準(zhǔn)的任意環(huán)境中運(yùn)行。
FMI的愿景恰好支持的工業(yè)4.0的構(gòu)想——如果產(chǎn)品是由零部件組裝而成，這些零部件以復(fù)雜方式相互作用，每個(gè)部件都遵循一組復(fù)雜的物理規(guī)律，那么就應(yīng)該可以創(chuàng)建這樣一個(gè)虛擬產(chǎn)品，它由一系列模型以數(shù)字化的方式組裝而成，每個(gè)模型可以代表零部件的組合，可以代表物理定律，也可以代表控制系統(tǒng)(使用電子、液壓、數(shù)字軟件等等)。
如果采取這種方法并應(yīng)用到需求管理中，那么仿真結(jié)果就可以直接反饋到初始階段，這是定義原始需求的最初階段，這反過來又有助于調(diào)整產(chǎn)品全生命周期管理以優(yōu)化工作流程，造出質(zhì)量更好的產(chǎn)品。
在這個(gè)過程中，效率和靈活性是產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)的關(guān)鍵。在物聯(lián)網(wǎng)的推動(dòng)下，工業(yè)4.0或許能在未來幾年，在生產(chǎn)制造和互聯(lián)網(wǎng)日益一體化的基礎(chǔ)上推動(dòng)新技術(shù)的應(yīng)用。
對(duì)于產(chǎn)品開發(fā)企業(yè)，混合仿真平臺(tái)將為其帶來巨大收益，它可以在整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)過程中不斷驗(yàn)證，減少錯(cuò)誤以及成本高昂的二次開發(fā)，減少上市時(shí)間，提升效率、生產(chǎn)率，降低成本，并能幫助人們更愉悅的工作。
轉(zhuǎn)型的最終目的 -提質(zhì)降本增效
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