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名家专栏 | 宁振波:智能制造难点是模型 焦点在仿真

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供稿:中国工控网 2016/10/12 16:46:42

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  本文为宁振波先生发表于中国互联网协会会刊《互联网天地》(月刊)2016年6月号文章,宁振波先生是中航工业集团信息技术中心首席顾问,智能制造名家,《三体智能革命》作者之一,是《走向智能论坛》核心专家顾问团队成员。作者认为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,数字化离不开数字模型和过程仿真。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。仿真的发展刚刚开始,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、研制方式。

  宁振波先生是中航工业集团信息技术中心首席顾问,智能制造名家,《三体智能革命》作者之一,是《走向智能论坛》核心专家顾问团队成员

  中国讲两化融合,第一个化是工业化,英文的Industry Technology就是工业技术,由于中国的工业技术和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,Information Technology中文叫信息技术,因为有华为这样的世界一流的公司,可以说中国的IT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,网络化连接人、机、物,也就是物联网或者叫工业互联网,也有叫第二代互联网的。提起数字化就离不开数字模型和过程仿真,本文主要论述数字模型和过程仿真。当然,数字模型是仿真的基础,过程仿真是我们航空航天大规模应用几十年以来特别擅长的领域,也是取得巨大成效的领域。

  数字模型有两类,一类是工程模型,另一类是管理模型。工程模型也分为两类:其一是产品模型,其二是产品研制过程模型。这里我们重点讲产品模型和过程仿真。CAD(Computer Aided Design)技术是建立模型,CAE(Computer AidedEngineering)技术就是模型的确认,也就是过程仿真。CAE的发展一直随着计算机的硬件、软件、操作系统、数据库的发展而壮大。工业技术无非就是三大类,设计、制造和试验,从我们的产品需求和市场调研开始,就可以做仿真,下来做方案设计的时候当然也要做仿真,做方案的特点是方案不只一种,要用多种方案来做优化设计,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,试验的时候检测产品的功能和性能若是满足不了要求,就扔掉,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)提的Y14.41的标准,也就是 MBD(Model Based Definition)的标准——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,这就是打造一个全数字化的企业。还有我们的系统工程,过去的系统工程现在提升为MBSE(Model-Based SystemsEngineering)——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等。

  我们在CYBER空间中,有了完整的数字模型,进入CYBER PHYSICAL SYSTEM(CPS),直接从数字样机映射成物理产品。当然,我们试验方式有了一个转变,原先的试验方式,100%的实物模型,做实物仿真,或缩比模型,随着发展,实物仿真太贵了,怎么办,半实物模型,缩比模型,半实物仿真和半物理仿真。随着我们未来的发展,一定是基于全数字模型的虚拟仿真,现在很多产品已经不要物理模型了,设计制造试验实现全模型化。

  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什么问题呢,蒸汽机也好,电动机也好,解决的是机器取代人体。第三次第四次工业革命呢?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呢?首先,是在CYBER环境中,完成产品的一系列流程: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,最后形成完整的产品数字样机。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、工艺的问题等等,然后改进计算机模型。第二方面,是再映射实物的试验过程,这个不就是CYBER PHYSICAL SYSTEM吗?这就是完整的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一个系统。

  1997年9月,钱学森给清华大学工程力学系建系40周年贺信中写道: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,而试验手段成为次要的了。由此展望21世纪,力学加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加形象展示,称为“虚拟型号研制”(Virtual Prototyping),就是我们现在说的数字样机(DATAPROTOTYPE)。

  如液压虚拟铁鸟的研制。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、CAE形成液压子系统的数字样机,把控制数字样机和液压数字样机装配到结构数字样机上。这三个样机,结构、电子和液压,形成一个完整的全飞机液压系统的数字样机。这个数字样机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,在其上作虚拟实验,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、机械系统和飞控系统中。这就是过程仿真的力量。

  我个人认为,仿真的发展刚刚开始,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、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,这就必须通过大量的科学的验证试验并形成数据库、模型库,从而改进并保证产品设计和分析的正确性。 

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