建模與仿真技術(shù)從嚴(yán)格意義上說(shuō)，是兩個(gè)技術(shù)的復(fù)合名詞，即建模技術(shù)與仿真技術(shù)。建模是仿真的基礎(chǔ)，建模是為了能夠進(jìn)行仿真。仿真是建模的延續(xù)，是進(jìn)行研究和分析對(duì)象的技術(shù)手段。

　　文章來(lái)源

　　本文改編自：《智能制造概論》，已由清華大學(xué)出版社出版。作者：中國(guó)工程院李培根院士、華中科技大學(xué)高亮教授。

　　01建模與仿真技術(shù)的定義

　　建模與仿真技術(shù)從嚴(yán)格意義上說(shuō)，是兩個(gè)技術(shù)的復(fù)合名詞，即建模技術(shù)與仿真技術(shù)。建模是仿真的基礎(chǔ)，建模是為了能夠進(jìn)行仿真。仿真是建模的延續(xù)，是進(jìn)行研究和分析對(duì)象的技術(shù)手段。

　　具體到智能制造中，建模技術(shù)是指，針對(duì)制造中的載體(如數(shù)控加工機(jī)床、機(jī)器人等)、制造過(guò)程(如加工過(guò)程中的力、熱、液等問(wèn)題)和被加工對(duì)象(如被制造的汽車(chē)、飛機(jī)、零部件)，甚至是智能車(chē)間、智能調(diào)度過(guò)程中一切需要研究的對(duì)象(實(shí)體對(duì)象或非實(shí)體化的生產(chǎn)過(guò)程等問(wèn)題)，應(yīng)用機(jī)械、物理、力學(xué)、計(jì)算機(jī)和數(shù)學(xué)等學(xué)科知識(shí)，對(duì)研究對(duì)象的一種近似表達(dá)。

　　仿真技術(shù)是在建模完成后，結(jié)合計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等計(jì)算機(jī)科學(xué)手段，對(duì)模型進(jìn)行圖像化、數(shù)值化、程序化等的表達(dá)。借助仿真，可以看到被建模對(duì)象的虛擬形態(tài)。

　　02建模與仿真技術(shù)的特點(diǎn)

　　從需求本身出發(fā)，建模與仿真技術(shù)表現(xiàn)出以下特點(diǎn)：

　　(1)虛擬化：虛擬化是建模與仿真技術(shù)的最本質(zhì)特點(diǎn)，利用建模與仿真技術(shù)可得到被研究對(duì)象的虛擬鏡像。

　　(2)數(shù)值化：數(shù)值化是建模與仿真技術(shù)的必要特點(diǎn)，是仿真、計(jì)算、優(yōu)化的前提。

　　(3)可視化：可視化是建模與仿真技術(shù)的直觀(guān)特點(diǎn)，是建模與仿真技術(shù)人機(jī)交互與友好性的體現(xiàn)。在智能制造中，可視化幾乎是一切建模與仿真技術(shù)所共有的特點(diǎn)和屬性。可視化可以幫助科研人員直觀(guān)分析被研究對(duì)象的動(dòng)態(tài)行為，也可以幫助車(chē)間技術(shù)人員快速掌握加工過(guò)程或加工對(duì)象的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

　　(4)可控化：可控化是建模與仿真技術(shù)通往終極目標(biāo)的必要手段。建模與仿真技術(shù)的目的是對(duì)被研究對(duì)象進(jìn)行分析和優(yōu)化。只有在建模與仿真技術(shù)中做到可控化，才可以進(jìn)行科學(xué)化的對(duì)照試驗(yàn)、優(yōu)化試驗(yàn)等。

　　建模與仿真技術(shù)的特點(diǎn)隨著制造業(yè)的發(fā)展而不斷更新

　　另外，隨著制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，從傳統(tǒng)制造到數(shù)字制造，從數(shù)字制造到數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造，再到數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化制造，建模與仿真技術(shù)又表現(xiàn)出一些新的特點(diǎn)：

　　(1)集成化：智能制造發(fā)展的初級(jí)階段，即數(shù)字制造，制造對(duì)象或制造主體(機(jī)床或機(jī)器人等)主要表現(xiàn)出單元化的制造特點(diǎn);到了智能制造發(fā)展的第二階段，即數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造，制造對(duì)象或制造主體又表現(xiàn)出在互聯(lián)網(wǎng)下的多邊互聯(lián)特點(diǎn);再到數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化的第三階段，依托5G、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、云存儲(chǔ)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各制造對(duì)象或制造主體之間的互聯(lián)互通，人-機(jī)-物的有機(jī)融合，建模與仿真技術(shù)也從原來(lái)的單一化過(guò)渡到多機(jī)協(xié)同的集成化模式。

　　(2)模塊化：模塊化似乎是與集成化相悖的一個(gè)概念和特點(diǎn)，但其實(shí)不然。數(shù)字化制造過(guò)程中，由于加工對(duì)象單一，加工過(guò)程單一，建模與仿真技術(shù)也表現(xiàn)出模型與實(shí)體對(duì)象的一一對(duì)應(yīng)的特點(diǎn)。但到了智能制造發(fā)展的第三階段，由于加工過(guò)程更為復(fù)雜，加工對(duì)象更多，各個(gè)對(duì)象之間還有緊密的聯(lián)系，建模與仿真技術(shù)也變得更復(fù)雜，更有必要在復(fù)雜的條件下構(gòu)建模塊化的建模單元與仿真單元，以便不同人員跨地區(qū)、跨學(xué)科、跨專(zhuān)業(yè)、跨時(shí)段地進(jìn)行協(xié)同建模與仿真開(kāi)發(fā)。

　　(3)層次化：HLA(high-level architecture)是智能制造中的一個(gè)代表性的開(kāi)放式、面向?qū)ο蟮募夹g(shù)架構(gòu)體系。在HLA架構(gòu)體系下，智能車(chē)間、智能工廠(chǎng)、智能倉(cāng)儲(chǔ)、智能化嵌入式系統(tǒng)、智能化加工單元等作為智能制造網(wǎng)絡(luò)化體系結(jié)構(gòu)的下端級(jí)，云平臺(tái)、云存儲(chǔ)作為上端級(jí)，邊緣計(jì)算、云計(jì)算作為溝通中間的連接驅(qū)動(dòng)和計(jì)算資源。針對(duì)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)體系下的智能制造，需要更加層次化的建模與仿真，有利于模型的管理、重用、優(yōu)化升級(jí)與快速部署。

　　(4)網(wǎng)絡(luò)化：5G是智能制造時(shí)代的高速信息通道，智能制造與5G技術(shù)的結(jié)合，更有利于將人-機(jī)-物進(jìn)行有機(jī)融合，各加工制造單元互聯(lián)互通，模型交互與模型共享，仿真數(shù)據(jù)共享。

　　(5)跨學(xué)科化：智能制造生產(chǎn)活動(dòng)中，表現(xiàn)出了多學(xué)科和跨學(xué)科的特點(diǎn)。建模與仿真技術(shù)在集成式發(fā)展的過(guò)程中，也表現(xiàn)出集機(jī)械、電磁、化學(xué)、流體等多學(xué)科知識(shí)，表現(xiàn)出多專(zhuān)家系統(tǒng)模式。典型的如CAM軟件，既能夠進(jìn)行機(jī)械的三維實(shí)體建模，又能對(duì)模型進(jìn)行有限元分析、流體分析與磁場(chǎng)分析等。

　　(6)虛實(shí)結(jié)合化：虛實(shí)結(jié)合化是智能制造中建模與仿真技術(shù)的重要特點(diǎn)，也是前沿方向。典型的如VR(virtual reality)、MR(mixed reality)、AR(augmented reality)等技術(shù)，這些技術(shù)的共同特征都是能讓人參與虛擬化的建模與仿真技術(shù)，與實(shí)體對(duì)象進(jìn)行交互，增強(qiáng)仿真過(guò)程中的真實(shí)體驗(yàn)。

　　(7)計(jì)算高速化：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，能夠?qū)χ圃旎顒?dòng)中的對(duì)象進(jìn)行越來(lái)越真實(shí)的建模與刻畫(huà)，仿真過(guò)程也越來(lái)越豐富。雖然模型的計(jì)算復(fù)雜度大幅度提升，但依托于高速計(jì)算機(jī)、大型服務(wù)器、高速總線(xiàn)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)和并行計(jì)算模式，建模與仿真也表現(xiàn)出計(jì)算高速化的特點(diǎn)。計(jì)算高速化的建模仿真，是虛擬化模型與實(shí)體制造加工過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)協(xié)作的關(guān)鍵技術(shù)。高性能計(jì)算(HPC)利用并行處理和互聯(lián)技術(shù)將多個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)，從而高效、可靠、快速運(yùn)行高級(jí)應(yīng)用程序。基于HPC環(huán)境的并行分布仿真是提高大規(guī)模仿真的運(yùn)行速度的重要方法。

　　(8)人工智能化：傳統(tǒng)的建模仿真主要是三類(lèi)，即基于物理分析的機(jī)理模型、基于實(shí)驗(yàn)過(guò)程的經(jīng)驗(yàn)推導(dǎo)模型、基于統(tǒng)計(jì)信息的統(tǒng)計(jì)模型。智能制造是一個(gè)高度復(fù)雜和強(qiáng)耦合的體系，傳統(tǒng)的模型在一些要求較高的條件下，往往并不能滿(mǎn)足需求。而通過(guò)借助人工智能技術(shù)，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、核方法、深度學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)、遷移學(xué)習(xí)等對(duì)非線(xiàn)性強(qiáng)耦合的加工過(guò)程和加工對(duì)象進(jìn)行建模，能夠得到傳統(tǒng)建模方法達(dá)不到的精準(zhǔn)效果。

　　(9)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)化：工業(yè)大數(shù)據(jù)是數(shù)字-智能時(shí)代工業(yè)的一個(gè)伴生名詞，工業(yè)大數(shù)據(jù)指智能制造活動(dòng)中，加工實(shí)體、加工過(guò)程等一切參與智能制造活動(dòng)的對(duì)象所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)資源。工業(yè)大數(shù)據(jù)背后往往隱藏著巨大的制造活動(dòng)奧秘，而這些奧秘是傳統(tǒng)建模與仿真憑借機(jī)理推導(dǎo)、單一數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)難以發(fā)現(xiàn)的。基于工業(yè)大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，能夠?yàn)閺?fù)雜制造對(duì)象與過(guò)程進(jìn)行建模，并伴隨數(shù)據(jù)量的逐漸累積，所建立的模型與仿真也更加貼合實(shí)際。

　　03建模與仿真技術(shù)的

　　技術(shù)體系/關(guān)鍵技術(shù)

　　1)建模/仿真支撐環(huán)境

　　建模/仿真的支撐環(huán)境是進(jìn)行建模與仿真的基礎(chǔ)性問(wèn)題。在計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、軟件(管理軟件、應(yīng)用軟件和通信軟件)、數(shù)據(jù)庫(kù)、圖形圖像可視化的基礎(chǔ)上構(gòu)建建模/仿真支撐環(huán)境。建模/仿真支撐環(huán)境是建模和進(jìn)行仿真試驗(yàn)的硬軟件環(huán)境，它的體系結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)仿真任務(wù)的需求和規(guī)模從資源、通信、應(yīng)用3個(gè)方面來(lái)設(shè)計(jì)，建立適合本應(yīng)用領(lǐng)域的建模/仿真支撐環(huán)境。建模/仿真支撐環(huán)境可劃分為建模開(kāi)發(fā)環(huán)境和仿真運(yùn)行環(huán)境，兩者有共享的資源。

　　研究開(kāi)發(fā)環(huán)境主要用于建模、仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真軟件開(kāi)發(fā)等，沒(méi)有嚴(yán)格的時(shí)間管理要求，但要保證事件發(fā)生的前后順序;而仿真運(yùn)行環(huán)境用于仿真系統(tǒng)運(yùn)行，必須有嚴(yán)格的時(shí)間管理，保證實(shí)時(shí)性。一般情況下，仿真系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)調(diào)用的資源是固定的、靜態(tài)的，要實(shí)現(xiàn)調(diào)用動(dòng)態(tài)資源則建模仿真環(huán)境體系結(jié)構(gòu)更復(fù)雜。在智能制造的背景下，建模/仿真技術(shù)的支撐環(huán)境也越來(lái)越復(fù)雜，從單計(jì)算機(jī)平臺(tái)，過(guò)渡到多機(jī)協(xié)同建模與仿真平臺(tái)，從個(gè)人電腦遷移到云端進(jìn)行建模與仿真。然而，每一次建模與仿真技術(shù)的革新，往往伴隨支撐環(huán)境底層技術(shù)的突破。

　　2)先進(jìn)分布仿真

　　從單元化制造到集成化網(wǎng)絡(luò)化制造，也呈現(xiàn)出分布式建模與仿真的新模式。基于仿真的設(shè)計(jì)、基于仿真的制造涉及多個(gè)專(zhuān)業(yè)、多個(gè)單位，他們可能分布在不同地區(qū)，應(yīng)將分布在各地理的仿真系統(tǒng)、模型、計(jì)算機(jī)、設(shè)備，將通過(guò)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成分布聯(lián)網(wǎng)仿真系統(tǒng)。仿真運(yùn)行時(shí)，仿真系統(tǒng)中的模型之間，計(jì)算機(jī)之間，仿真系統(tǒng)之間有大量數(shù)據(jù)和信息傳送和交互。

　　美國(guó)國(guó)防部于1998 年正式提出基于仿真采辦的概念，其兩大關(guān)鍵是：

　　(1)協(xié)同環(huán)境-協(xié)同環(huán)境是由互操作的工具和數(shù)據(jù)庫(kù)，權(quán)威的信息資源，以及產(chǎn)品/過(guò)程模型支持的各領(lǐng)域?qū)＜铱蓞f(xié)同工作的環(huán)境;

　　(2)分布產(chǎn)品描述-分布產(chǎn)品描述是數(shù)字化產(chǎn)品信息的分布集合，通過(guò) Web 技術(shù)互聯(lián)，對(duì)用戶(hù)呈現(xiàn)單一的邏輯上統(tǒng)一的產(chǎn)品描述，包括產(chǎn)品數(shù)據(jù)，產(chǎn)品模型，過(guò)程模型等。

　　3)仿真資源庫(kù)

　　仿真資源庫(kù)是仿真技術(shù)的依賴(lài)性技術(shù)。仿真資源庫(kù)包括數(shù)據(jù)庫(kù)，模型庫(kù)，工具軟件庫(kù)等。仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和運(yùn)行要用到大量數(shù)據(jù)和模型，例如飛行器動(dòng)力學(xué)模型和氣動(dòng)數(shù)據(jù)，全球?qū)Ш脚_(tái)數(shù)據(jù)，綜合自然環(huán)境模型和數(shù)據(jù)，產(chǎn)品性能的模型和數(shù)據(jù)，人的行為模型和數(shù)據(jù)、仿真結(jié)果數(shù)據(jù)等。此外，仿真資源庫(kù)越豐富，能開(kāi)展的仿真活動(dòng)也更為多樣。在智能制造中，人是一項(xiàng)關(guān)鍵的因素，將人納入建模與仿真環(huán)境進(jìn)行協(xié)同仿真，是對(duì)建模與仿真平臺(tái)的又一大挑戰(zhàn)。因此，建模與仿真技術(shù)不但需要有豐富的圖形圖像仿真資源庫(kù)、數(shù)值計(jì)算與數(shù)值優(yōu)化資源庫(kù)，也要包含語(yǔ)料資源庫(kù)、音頻資源庫(kù)，甚至是觸覺(jué)資源庫(kù)與多專(zhuān)家系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)。

　　4)圖形圖像綜合顯示技術(shù)

　　圖形圖像綜合顯示技術(shù)一直都是建模與仿真技術(shù)的關(guān)鍵核心技術(shù)，也是最根本的一項(xiàng)技術(shù)，是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、數(shù)據(jù)處理等基礎(chǔ)技術(shù)的綜合應(yīng)用。智能制造對(duì)建模與仿真的圖形圖像綜合顯示技術(shù)提出了更多新的要求，即不但能在單機(jī)上進(jìn)行二維和三維圖形顯示，更需要滿(mǎn)足嵌入式系統(tǒng)仿真過(guò)程中的快速在線(xiàn)實(shí)時(shí)三維顯示。這種綜合顯示技術(shù)不再是單一加工對(duì)象或加工主體的圖形圖像化顯示，更提出了新的要求，即融合人和加工環(huán)境等的仿真顯示技術(shù)。

　　數(shù)控加工仿真是利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的成果，采用動(dòng)態(tài)圖的真實(shí)感形式，模擬數(shù)控加工全過(guò)程。通過(guò)數(shù)控加工仿真軟件，能判別加工路徑是否合理，檢測(cè)刀具的碰撞、干涉，優(yōu)化加工參數(shù)，減低材料消耗和生產(chǎn)成本，最大限度地發(fā)揮數(shù)控設(shè)備的利用率，如圖1所示。一個(gè)完整的數(shù)控加工仿真過(guò)程包括：

　　(1)NC代碼的翻譯及檢查;

　　(2)毛坯干涉及零件圖形的輸入和顯示;

　　(3)刀具的定義及圖形顯示;

　　(4)刀具運(yùn)動(dòng)及毛坯切屑的動(dòng)態(tài)圖形顯示;

　　(5)刀具碰撞及干涉檢查;

　　(6)仿真結(jié)果報(bào)告，包括具體干涉位置及干涉量。

　　04建模與仿真技術(shù)

　　在智能制造中的典型應(yīng)用案例

　　1)建模與仿真技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人中的應(yīng)用

　　作為智能制造中的典型應(yīng)用范例，建模和仿真技術(shù)對(duì)于機(jī)器人的理論研究、設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)分析、快速產(chǎn)線(xiàn)部署、程序編制、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃等都極為重要，更是實(shí)現(xiàn)智能制造中加工工藝優(yōu)化、加工質(zhì)量與產(chǎn)品性能提升、無(wú)人化工廠(chǎng)的關(guān)鍵核心技術(shù)。

　　機(jī)器人的建模包括運(yùn)動(dòng)學(xué)建模、動(dòng)力學(xué)建模、力與環(huán)境的物理交互建模等，建模是控制和仿真的基礎(chǔ)。典型的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模仿真平臺(tái)有MATLAB、Gazebo、V-REP等。其中，MATLAB可為機(jī)器人進(jìn)行理論計(jì)算研究(如圖2所示)。基于其強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算工具箱，研究人員能靈活、方便地進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)建模等。另外，基于Simulink工具箱，還可進(jìn)行與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制相關(guān)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和分析。

　　Gazebo是一款3D動(dòng)態(tài)模擬器，能夠在復(fù)雜的室內(nèi)和室外環(huán)境中準(zhǔn)確、有效地模擬機(jī)器人群。Gazebo可提供高保真度的物理模擬和一整套的傳感器模型，還能提供用戶(hù)和程序非常友好的交互方式。基于Gazebo動(dòng)態(tài)模擬器，可以對(duì)機(jī)器人算法進(jìn)行測(cè)試，設(shè)計(jì)機(jī)器人和現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行回歸測(cè)試。一般情況下，Gazebo會(huì)運(yùn)行在Ubuntu操作系統(tǒng)上的 ROS(robot operating system)環(huán)境中進(jìn)行集成使用，如圖3所示。

　　2)建模與仿真技術(shù)在汽車(chē)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

　　在現(xiàn)代汽車(chē)設(shè)計(jì)過(guò)程中，汽車(chē)性能的設(shè)計(jì)優(yōu)化主要是利用建模與仿真技術(shù)對(duì)汽車(chē)性能進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)估后，根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)整車(chē)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。仿真技術(shù)使所設(shè)計(jì)的車(chē)型能在不制造出樣車(chē)、不進(jìn)行實(shí)車(chē)試驗(yàn)的情況下，完成對(duì)新車(chē)型性能的預(yù)測(cè)和整車(chē)設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化。與傳統(tǒng)的汽車(chē)性能優(yōu)化過(guò)程相比，仿真技術(shù)的應(yīng)用，縮短了新車(chē)型的設(shè)計(jì)周期，節(jié)約了新車(chē)型的設(shè)計(jì)經(jīng)費(fèi)，并改進(jìn)了新車(chē)型的性能、質(zhì)量和成本，這是一種適應(yīng)人們對(duì)新車(chē)型要求不斷提高的最有效的方法。為此，各大汽車(chē)公司在進(jìn)行新車(chē)型開(kāi)發(fā)時(shí)，都廣泛地應(yīng)用了建模與仿真技術(shù)。

　　3)建模與仿真技術(shù)在制造車(chē)間設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

　　一般可以把車(chē)間的設(shè)計(jì)過(guò)程分為兩個(gè)主要階段：初步設(shè)計(jì)階段和詳細(xì)設(shè)計(jì)階段。初步設(shè)計(jì)階段的任務(wù)是研究用戶(hù)的需求，然后由此確定初步設(shè)計(jì)方案。詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的主要任務(wù)是在初步設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，提出對(duì)車(chē)間各個(gè)組成單元的詳盡而完整的描述，使設(shè)計(jì)結(jié)果能夠達(dá)到進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和投產(chǎn)決策的程度，具體來(lái)說(shuō)即確定設(shè)備、刀具、夾具、托盤(pán)、物料處理系統(tǒng)、車(chē)間布局等。而仿真技術(shù)則主要用于方案的評(píng)價(jià)和選擇。在初步設(shè)計(jì)階段，可以在仿真程序中包含經(jīng)濟(jì)效益分析算法，運(yùn)行根據(jù)初步設(shè)計(jì)方案所建立的仿真模型，對(duì)以下信息進(jìn)行評(píng)價(jià)：新車(chē)間中生產(chǎn)的產(chǎn)品類(lèi)型和數(shù)量能否滿(mǎn)足用戶(hù)要求，產(chǎn)品的質(zhì)量和精度是否能夠滿(mǎn)足要求，新車(chē)間的效率和投資回收率是否合理。在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，使用仿真技術(shù)可以對(duì)候選方案的以下方面做出評(píng)價(jià)：在制造主要零件時(shí)，車(chē)間中主要加工設(shè)備是否能夠得到充分的利用，負(fù)載是否比較平衡，物料處理系統(tǒng)是否能夠和車(chē)間的柔性程度相適應(yīng)，新車(chē)間的整體布局是否能夠滿(mǎn)足生產(chǎn)調(diào)度的要求，是否具有一定的可重構(gòu)能力，在發(fā)生故障時(shí)，車(chē)間生產(chǎn)系統(tǒng)是否能夠維持一定程度的生產(chǎn)能力。

　　05

　　建模與仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

　　智能制造從單元化，過(guò)渡到集成化，再到網(wǎng)絡(luò)化智能化，建模與仿真技術(shù)也呈現(xiàn)出新的技術(shù)特點(diǎn)和技術(shù)應(yīng)用。總的來(lái)說(shuō)，伴隨智能制造發(fā)展的腳步，建模與仿真技術(shù)將會(huì)更加緊密地與5G、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能相結(jié)合。建模與仿真技術(shù)正呈現(xiàn)出實(shí)時(shí)化仿真、分布式嵌入式仿真、云端建模與仿真、多端建模與仿真和模型資源共享、虛實(shí)結(jié)合的建模與仿真、人與加工過(guò)程參與建模與仿真互動(dòng)、大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的混合建模、人工智能和群體智能優(yōu)化技術(shù)結(jié)合的建模與仿真等趨勢(shì)。

　　隨著制造業(yè)的發(fā)展，建模仿真技術(shù)將發(fā)揮更加重要的作用。與此同時(shí)，由于智能制造系統(tǒng)的新的特點(diǎn)，對(duì)仿真技術(shù)提出了更高的要求。

　　1)新一代數(shù)字模型

　　新一代數(shù)字模型是將傳統(tǒng)的建模仿真技術(shù)與新一代的信息技術(shù)，如物理信息系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、人工智能等技術(shù)相結(jié)合，根據(jù)特定的需求而構(gòu)建伴隨被建模的物理實(shí)體全生命周期、可持續(xù)演化且高度可信的數(shù)字化模型。新一代數(shù)字模型不僅可以進(jìn)行離線(xiàn)的分析與預(yù)測(cè)，還能在線(xiàn)地與物理系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)互動(dòng)。新一代數(shù)字模型技術(shù)將成為支持新一代智能制造的關(guān)鍵技術(shù)之一。

　　數(shù)字孿生技術(shù)是一種典型的新一代數(shù)字模型技術(shù)。它是傳統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)的延伸和發(fā)展。

　　虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)/混合現(xiàn)實(shí)(MR)技術(shù)也是新一代數(shù)字模型技術(shù)的重要內(nèi)容。通過(guò)VR可以增加虛擬模型的沉浸感，而AR及MR技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)人、信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)的融合仿真。AR可將計(jì)算機(jī)生成的虛擬景象疊加到現(xiàn)實(shí)景物上，實(shí)現(xiàn)人與虛擬物體的實(shí)時(shí)交互。

　　制造過(guò)程是一個(gè)人、信息、機(jī)器、環(huán)境高度融合的系統(tǒng)。仿真技術(shù)除了建立產(chǎn)品模型以及制造所需要的資源、設(shè)備、環(huán)境等模型外，還可以建立人員的模型。通過(guò)人員模型與設(shè)備及環(huán)境模型的交互式仿真，實(shí)現(xiàn)更真實(shí)可信的仿真過(guò)程。

　　2)面向制造全生命周期的模型工程

　　數(shù)字模型的建立與管理是制造企業(yè)實(shí)現(xiàn)制造系統(tǒng)數(shù)字化的重要基礎(chǔ)。由于制造過(guò)程的復(fù)雜性，制造生命周期的數(shù)字模型擁有一些新的特點(diǎn)。

　　(1)模型的組成更復(fù)雜。模型的組成元素越來(lái)越多，元素之間的關(guān)系更加復(fù)雜。

　　(2)模型的生命周期更長(zhǎng)。智能制造系統(tǒng)中的模型將參與產(chǎn)品的整個(gè)生命周期。由于模型元素之間關(guān)系的復(fù)雜性，模型的演化過(guò)程將會(huì)非常復(fù)雜且呈現(xiàn)高度不確定性。

　　(3)模型具有高度異構(gòu)性。大量的模型是由不同的機(jī)構(gòu)采用不同的平臺(tái)、結(jié)構(gòu)、開(kāi)發(fā)語(yǔ)言和數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)構(gòu)建。

　　(4)模型的可信度極難評(píng)估。由于對(duì)模型的依賴(lài)性的增強(qiáng)，模型的可信度問(wèn)題也變得越來(lái)越重要。由于模型的復(fù)雜度增加，評(píng)估模型的可信度變得更加困難。

　　(5)模型的可重用性。為了提高模型開(kāi)發(fā)的效率與質(zhì)量，模型重用的作用和價(jià)值變得更加重要。

　　綜上所述，迫切需要一種面向復(fù)雜制造過(guò)程全生命周期的模型理論和方法。

　　3)云環(huán)境下的智能仿真技術(shù)

　　隨著云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，在制造領(lǐng)域應(yīng)用云平臺(tái)技術(shù)也逐漸成為一種趨勢(shì)。在云平臺(tái)上進(jìn)行相關(guān)制造活動(dòng)是制造企業(yè)進(jìn)行升級(jí)和轉(zhuǎn)型的重要手段。如何在云環(huán)境下，通過(guò)仿真支持制造全生命周期的協(xié)同優(yōu)化，成為仿真技術(shù)面臨的新挑戰(zhàn)。基于云的仿真技術(shù)與智能制造的結(jié)合將成為制造系統(tǒng)仿真發(fā)展的必然趨勢(shì)。

　　4)面向大數(shù)據(jù)的仿真技術(shù)

　　由于制造系統(tǒng)的復(fù)雜化，在制造的全生命周期內(nèi)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)的出現(xiàn)對(duì)仿真技術(shù)帶來(lái)了新的機(jī)遇，同時(shí)仿真技術(shù)對(duì)制造大數(shù)據(jù)的獲取、處理、管理和使用也將發(fā)揮重要作用。

　　一方面，大數(shù)據(jù)可以對(duì)仿真建模提供新的途徑和方法。由于制造系統(tǒng)的高度復(fù)雜性，導(dǎo)致采用傳統(tǒng)方法對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)建模非常困難。而利用系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)樣本，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)的方式可以建立逼近真實(shí)系統(tǒng)的“近似模型”。大數(shù)據(jù)對(duì)于仿真分析方法也將產(chǎn)生重要影響，仿真將從對(duì)因果關(guān)系的分析轉(zhuǎn)向?qū)﹃P(guān)聯(lián)關(guān)系的分析，同時(shí)大數(shù)據(jù)為仿真分析也將提供新的資源和手段。另一方面，制造大數(shù)據(jù)也將成為建模仿真的重要研究對(duì)象，借助仿真技術(shù)挖掘并發(fā)揮大數(shù)據(jù)在制造各環(huán)節(jié)中的價(jià)值。此外，仿真技術(shù)還可用于大數(shù)據(jù)的篩選和預(yù)處理，大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)策略、遷移策略以及傳輸策略的優(yōu)化等方面。建模與仿真和大數(shù)據(jù)將相互促進(jìn)、相互補(bǔ)充。兩者的結(jié)合將有力的促進(jìn)智能制造的發(fā)展。