仿真技術(shù)，制造業(yè)升級(jí)的密碼

　　3月27日，中國(guó)仿真技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟在京成立。

　　從MadeinChina（中國(guó)制造）到InnovationinChina（中國(guó)智造），中國(guó)制造業(yè)正在加速轉(zhuǎn)型升級(jí)，生產(chǎn)模式趨向數(shù)字化、智能化。近年來(lái)，高端工業(yè)軟件，尤其是仿真軟件的呼聲越來(lái)越高。仿真與制造業(yè)的碰撞究竟會(huì)激起怎樣的火花？“智能+”時(shí)代，制造業(yè)又將如何“攜手”仿真技術(shù)打破困局，加速邁向高質(zhì)量發(fā)展？

　　仿真技術(shù)是制造業(yè)創(chuàng)新之源

　　何為“仿真技術(shù)”？《墨子·公輸》中記載，魯班將云梯改制成凌空而立，用來(lái)攻城。墨子特意趕到楚國(guó)，通過(guò)模擬攻防勸說(shuō)魯班，這就是著名的“止楚攻宋”。這里提到的模擬攻防就和仿真的內(nèi)涵非常相似。通過(guò)實(shí)驗(yàn)的形式建立仿真模型，對(duì)真實(shí)情況進(jìn)行還原與測(cè)試，從而減少研發(fā)、測(cè)試、制造等環(huán)節(jié)的成本與難度，提供決策依據(jù)，這就是仿真。

　　“智能+”時(shí)代，新一代信息技術(shù)正在加速與制造業(yè)的深度融合。從現(xiàn)代制造企業(yè)的角度來(lái)看，產(chǎn)品生命周期逐步縮短，技術(shù)結(jié)構(gòu)、應(yīng)用場(chǎng)景卻變得越來(lái)越復(fù)雜。為了滿足提高效率、加速轉(zhuǎn)型，他們不得不尋找新的出路。仿真技術(shù)為制造企業(yè)提供了能夠覆蓋產(chǎn)品論證、研發(fā)、試驗(yàn)、制造、維護(hù)、輔助決策及人員訓(xùn)練等各個(gè)階段的全生命周期解決方案，成為制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要技術(shù)手段。

　　據(jù)專(zhuān)家介紹，仿真技術(shù)的最大功用就是把整個(gè)制造過(guò)程轉(zhuǎn)移至虛擬環(huán)境中進(jìn)行“重現(xiàn)”，讓一切工作都可以在制定決策和確定成本前完成，極大程度地降低了制造企業(yè)的試錯(cuò)成本和安全風(fēng)險(xiǎn)，縮短了市場(chǎng)響應(yīng)時(shí)間。比如，過(guò)去設(shè)計(jì)制造一臺(tái)汽車(chē)，要經(jīng)過(guò)反復(fù)的碰撞試驗(yàn)，在碰撞中毀掉數(shù)輛真車(chē)，研發(fā)時(shí)間動(dòng)輒幾年，而現(xiàn)在有了仿真技術(shù)，只要在軟件中輸入數(shù)據(jù)，各種碰撞結(jié)果就能迅速計(jì)算出來(lái)，安全又高效。再比如火箭、飛機(jī)、航母這些高端制造品的研發(fā)、制造與測(cè)試，動(dòng)輒需要耗費(fèi)巨資，根本無(wú)法在真實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，仿真技術(shù)則為其提供了更優(yōu)選擇。

　　高端制造是工業(yè)化發(fā)展的高級(jí)階段，是具有高技術(shù)含量和高附加值的產(chǎn)業(yè)。而仿真技術(shù)可以說(shuō)是制造業(yè)的創(chuàng)新之“源”。通過(guò)建模實(shí)驗(yàn)，制造企業(yè)可以在虛擬仿真環(huán)境中反復(fù)探索最佳結(jié)構(gòu)和配置方案，這個(gè)過(guò)程看得到，而且可以同步提供更多的結(jié)果參數(shù)，從而不斷實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的改進(jìn)、優(yōu)化與升級(jí)，這也為制造技術(shù)的突破與創(chuàng)新注入了動(dòng)力。

　　在高端制造領(lǐng)域應(yīng)用場(chǎng)景廣泛

　　伴隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù)的發(fā)展與融合，仿真技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景也在不斷地豐富和拓展。特別是大中型離散型制造企業(yè)，包括航空航天、國(guó)防、汽車(chē)、裝備制造、電子高科技等行業(yè)企業(yè)，對(duì)仿真技術(shù)的應(yīng)用范圍持續(xù)拓展、深化。

　　航天云網(wǎng)總經(jīng)理、中國(guó)仿真技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟常務(wù)副理事長(zhǎng)柴旭東在接受《中國(guó)電子報(bào)》記者采訪時(shí)指出，航天制造領(lǐng)域涉及機(jī)電液控等多學(xué)科專(zhuān)業(yè)仿真分析、半實(shí)物仿真分析、虛擬樣機(jī)系統(tǒng)仿真和體系仿真等，是仿真技術(shù)應(yīng)用極為廣泛的一個(gè)領(lǐng)域。據(jù)他介紹，航天產(chǎn)品是典型的復(fù)雜產(chǎn)品，目前基于模型的設(shè)計(jì)生產(chǎn)一體化、基于虛擬樣機(jī)的總體與分系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)等已成為航天數(shù)字化研制的重要模式，對(duì)航天產(chǎn)品降低研制成本和周期，提高質(zhì)量，確保飛行試驗(yàn)成功率等發(fā)揮了重要作用。

　　在軌道交通裝備制造領(lǐng)域，仿真技術(shù)仿真分析基本貫穿在軌道車(chē)輛產(chǎn)品研發(fā)的方案設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)、施工設(shè)計(jì)、試制研證及確認(rèn)等整個(gè)階段，成為不可或缺的一環(huán)。中國(guó)中車(chē)科學(xué)家、國(guó)家高速動(dòng)車(chē)組總成工程技術(shù)研究中心主任丁叁叁對(duì)《中國(guó)電子報(bào)》記者介紹道，以復(fù)興號(hào)研發(fā)為例，研發(fā)團(tuán)隊(duì)最初設(shè)計(jì)了46種頭型概念方案，構(gòu)建了多個(gè)全工況高速列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)仿真模型，經(jīng)過(guò)氣動(dòng)阻力、氣動(dòng)升力、側(cè)向力及隧道效應(yīng)等18類(lèi)、上百次仿真計(jì)算，才確定7種備選頭型，然后又結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)和動(dòng)模型試驗(yàn)進(jìn)行方案驗(yàn)證與多目標(biāo)迭代優(yōu)化，最終確定“飛龍”頭型方案。

　　線路實(shí)測(cè)表明，復(fù)興號(hào)以時(shí)速350千米運(yùn)行時(shí)，整車(chē)運(yùn)行阻力64kN，與既有的和諧號(hào)系列相比，降低了12%，往返一趟京滬可節(jié)省5000度電。

　　此外，仿真技術(shù)在汽車(chē)制造領(lǐng)域的發(fā)展前景也被普遍看好。上汽大眾汽車(chē)有限公司產(chǎn)品研發(fā)執(zhí)行總監(jiān)吳慶文表示，用仿真技術(shù)逼近物理試驗(yàn)的結(jié)果，逐漸取消試制樣車(chē)是仿真技術(shù)給汽車(chē)制造領(lǐng)域帶來(lái)的最大改變之一?！拔覀円呀?jīng)在幾個(gè)車(chē)型項(xiàng)目上做到完全取消試制樣車(chē)?！?/p>

　　他還向《中國(guó)電子報(bào)》記者分享了一個(gè)親身經(jīng)歷的故事：“以前我們?cè)诤诤幼龀獙?shí)驗(yàn)，冬天零下25度的溫度，把花費(fèi)6個(gè)月制造的樣車(chē)放室外凍一個(gè)晚上，再往玻璃上噴水霧凍1個(gè)小時(shí)，然后讓駕駛員啟動(dòng)車(chē)輛，不踩油門(mén)，把暖風(fēng)開(kāi)到最大。我們圍著車(chē)觀察玻璃上的除霜過(guò)程，過(guò)程中一旦發(fā)現(xiàn)問(wèn)題還得從頭再來(lái)一遍?，F(xiàn)在通過(guò)仿真手段模擬這個(gè)過(guò)程，不必造樣車(chē)，不必等到冬季，還可以在短時(shí)間內(nèi)驗(yàn)證幾十種不同的方案，不僅費(fèi)用節(jié)約77%，而且發(fā)現(xiàn)問(wèn)題馬上就可以改，基本只要一天就能改好。”

　　事實(shí)上，伴隨制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，仿真技術(shù)也在發(fā)生日新月異的變化。柴旭東指出，特別是隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的深入推進(jìn)和與仿真技術(shù)的深度結(jié)合，基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的云仿真應(yīng)用，虛擬樣機(jī)/數(shù)字孿生應(yīng)用、自主工業(yè)仿真軟件、仿真產(chǎn)教融合以及仿真產(chǎn)業(yè)將是重點(diǎn)發(fā)展方向。而這些新方向也將為仿真技術(shù)帶來(lái)更多的細(xì)分應(yīng)用場(chǎng)景。

　　仿真技術(shù)應(yīng)用普及還須提升

　　中國(guó)仿真學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)、清華大學(xué)自動(dòng)化系教授范文慧在3月27日召開(kāi)的“2021中國(guó)仿真技術(shù)產(chǎn)業(yè)高峰論壇”上分享了一組數(shù)據(jù)：“2014年全球仿真產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)約每年1500億美元，2012年中國(guó)仿真產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)規(guī)模至少每年約900億元。”

　　從國(guó)內(nèi)仿真產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)規(guī)模來(lái)看：民用市場(chǎng)中，國(guó)外公司市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)明顯，占國(guó)內(nèi)仿真市場(chǎng)大約70%；國(guó)內(nèi)公司規(guī)模小、數(shù)量多，多以代理和系統(tǒng)集成為主，自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)含量不高。在國(guó)防軍工、航空航天以及其他尖端核心技術(shù)等軍用領(lǐng)域，國(guó)外公司受限很大；擁有國(guó)防軍工資質(zhì)的、具有一定自主創(chuàng)新能力的國(guó)內(nèi)廠商具有相當(dāng)優(yōu)勢(shì)。此外，在國(guó)內(nèi)仿真市場(chǎng)，仿真產(chǎn)品用戶本身也是潛在競(jìng)爭(zhēng)者，傳統(tǒng)軍工企業(yè)更傾向于“自給自足”仿真產(chǎn)品和服務(wù)。

　　在范文慧看來(lái)，盡管仿真技術(shù)近年來(lái)在國(guó)內(nèi)發(fā)展迅速，但依然存在行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)水平一般、市場(chǎng)開(kāi)發(fā)面窄、技術(shù)創(chuàng)新缺乏、產(chǎn)品服務(wù)市場(chǎng)開(kāi)拓差等諸多問(wèn)題。相較于歐美國(guó)家，我國(guó)的仿真市場(chǎng)起步晚、規(guī)模小，研發(fā)水平相對(duì)滯后，市場(chǎng)發(fā)育度也比較低。

　　從國(guó)內(nèi)制造業(yè)發(fā)展情況來(lái)看，我國(guó)制造業(yè)已經(jīng)搭建起完整的制造業(yè)體系和制造業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施，在全球產(chǎn)業(yè)鏈中具有重要地位。但行業(yè)關(guān)鍵系統(tǒng)軟件自主能力不足，核心技術(shù)與創(chuàng)新能力不夠，整體發(fā)展水平參差不齊。尤其作為智能制造的重要基礎(chǔ)和核心支撐，工業(yè)軟件卻仍處于“管理軟件強(qiáng)，工程軟件弱；低端軟件多，高端軟件少”的階段。仿真技術(shù)在制造業(yè)的應(yīng)用普及度與深度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

　　同時(shí)，柴旭東還指出，國(guó)內(nèi)制造企業(yè)，尤其是中小型企業(yè)，數(shù)字化戰(zhàn)略與路徑不夠清晰，懂專(zhuān)業(yè)和掌握仿真技術(shù)的復(fù)合型人才缺乏，以及各類(lèi)仿真工業(yè)軟件應(yīng)用普及不夠是當(dāng)前仿真技術(shù)與制造業(yè)深度融合面臨的主要難點(diǎn)和挑戰(zhàn)。

　　仿真技術(shù)迎來(lái)巨大發(fā)展機(jī)遇

　　《中國(guó)電子報(bào)》記者在天眼查上搜索發(fā)現(xiàn)，截至3月29日，國(guó)內(nèi)做仿真軟件業(yè)務(wù)的公司大約有7000多家。根據(jù)成立時(shí)長(zhǎng)來(lái)看，近兩年成立的仿真軟件相關(guān)公司多達(dá)4500多家，約占總數(shù)的65%。此外，我國(guó)還有一批深耕仿真技術(shù)的科研院所與高校，比如中國(guó)工程院、中科院、清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等?？梢?jiàn)，仿真技術(shù)在中國(guó)市場(chǎng)播下的種子已經(jīng)萌芽。

　　當(dāng)下，我國(guó)制造業(yè)正處于邁向智能化、數(shù)字化的關(guān)鍵階段，數(shù)字孿生、數(shù)物融合、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新興概念的落地，背后都離不開(kāi)建模與仿真的支持。伴隨新一代信息技術(shù)的爆發(fā)，仿真也迎來(lái)了巨大的發(fā)展機(jī)遇。越來(lái)越多的企業(yè)和機(jī)構(gòu)意識(shí)到，仿真產(chǎn)業(yè)技術(shù)壁壘高、發(fā)展周期長(zhǎng)、市場(chǎng)空間大，僅靠某一家企業(yè)或機(jī)構(gòu)的力量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，因此，抱團(tuán)協(xié)作、共贏未來(lái)才是最佳選擇。

　　未來(lái)的路怎么走？值得關(guān)注的是，國(guó)內(nèi)一批從事仿真技術(shù)、智能制造、工業(yè)軟件研發(fā)相關(guān)行業(yè)的企業(yè)、機(jī)構(gòu)及高等院校已經(jīng)成立了中國(guó)仿真技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，致力于把仿真產(chǎn)業(yè)上下游產(chǎn)業(yè)鏈成員匯聚在一起，為產(chǎn)業(yè)合作交流、協(xié)作機(jī)制建立提供了平臺(tái)。日前，該聯(lián)盟在京召開(kāi)“2021中國(guó)仿真技術(shù)產(chǎn)業(yè)高峰論壇”。來(lái)自各行各業(yè)的專(zhuān)家圍繞仿真技術(shù)未來(lái)發(fā)展路線進(jìn)行了深入探討。

　　“標(biāo)準(zhǔn)是引領(lǐng)企業(yè)應(yīng)用數(shù)字化仿真加速轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵抓手?！眹?guó)家工業(yè)信息安全發(fā)展研究中心交流合作處副處長(zhǎng)李君在論壇上談道。我國(guó)制造業(yè)對(duì)數(shù)字化仿真的分類(lèi)、分級(jí)、缺乏統(tǒng)一規(guī)范，不利于其深入應(yīng)用和進(jìn)一步發(fā)展。因此，她認(rèn)為應(yīng)該大力推動(dòng)面向制造業(yè)的數(shù)字化仿真系列標(biāo)準(zhǔn)的研制及立項(xiàng)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)引導(dǎo)產(chǎn)、學(xué)、研各界正確認(rèn)識(shí)各類(lèi)制造業(yè)數(shù)字化仿真，逐漸提升仿真水平。

　　不僅是標(biāo)準(zhǔn)，范文慧建議應(yīng)該通過(guò)制定產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策、鼓勵(lì)國(guó)際交流合作、完善人才培養(yǎng)和獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制等多種措施來(lái)推動(dòng)仿真與制造業(yè)的深度融合，把握“需求牽引系統(tǒng)、系統(tǒng)帶動(dòng)技術(shù)、技術(shù)促進(jìn)系統(tǒng)、系統(tǒng)服務(wù)應(yīng)用”的仿真產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)律，逐步形成能夠滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求的世界先進(jìn)、自主安全、軍民融合的仿真產(chǎn)業(yè)能力。

　　“一場(chǎng)科技革命與產(chǎn)業(yè)變革已在全球快速展開(kāi)?！敝袊?guó)工程院院士李伯虎表示：“新時(shí)代、新形勢(shì)、新需求下，特別需要加快實(shí)現(xiàn)自主的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、云化、智能化技術(shù)、產(chǎn)業(yè)、應(yīng)用的一體化發(fā)展。要加快新建模仿真技術(shù)、新信息通信技術(shù)、新人工智能技術(shù)與應(yīng)用領(lǐng)域技術(shù)的深度融合，引領(lǐng)中國(guó)智能制造加速發(fā)展?！保ㄓ浾咚捂海?/p>

　　轉(zhuǎn)自：中國(guó)電子報(bào)

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