仿真技術(shù)，制造業(yè)升級的密碼

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

　　從MadeinChina（中國制造）到InnovationinChina（中國智造），中國制造業(yè)正在加速轉(zhuǎn)型升級，生產(chǎn)模式趨向數(shù)字化、智能化。近年來，高端工業(yè)軟件，尤其是仿真軟件的呼聲越來越高。仿真與制造業(yè)的碰撞究竟會激起怎樣的火花？“智能+”時代，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，用來攻城。墨子特意趕到楚國，通過模擬攻防勸說魯班，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。通過實(shí)驗(yàn)的形式建立仿真模型，對真實(shí)情況進(jìn)行還原與測試，從而減少研發(fā)、測試、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)的角度來看，產(chǎn)品生命周期逐步縮短，技術(shù)結(jié)構(gòu)、應(yīng)用場景卻變得越來越復(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)型升級的重要技術(shù)手段。

　　據(jù)專家介紹，仿真技術(shù)的最大功用就是把整個制造過程轉(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)的試錯成本和安全風(fēng)險，縮短了市場響應(yīng)時間。比如，過去設(shè)計制造一臺汽車，要經(jīng)過反復(fù)的碰撞試驗(yàn)，在碰撞中毀掉數(shù)輛真車，研發(fā)時間動輒幾年，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)果就能迅速計算出來，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)、制造與測試，動輒需要耗費(fèi)巨資，根本無法在真實(shí)場景進(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)可以說是制造業(yè)的創(chuàng)新之“源”。通過建模實(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，這個過程看得到，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，這也為制造技術(shù)的突破與創(chuàng)新注入了動力。

　　在高端制造領(lǐng)域應(yīng)用場景廣泛

　　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、國防、汽車、裝備制造、電子高科技等行業(yè)企業(yè)，對仿真技術(shù)的應(yīng)用范圍持續(xù)拓展、深化。

　　航天云網(wǎng)總經(jīng)理、中國仿真技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟常務(wù)副理事長柴旭東在接受《中國電子報》記者采訪時指出，航天制造領(lǐng)域涉及機(jī)電液控等多學(xué)科專業(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)計等已成為航天數(shù)字化研制的重要模式，對航天產(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輛產(chǎn)品研發(fā)的方案設(shè)計、技術(shù)設(shè)計、施工設(shè)計、試制研證及確認(rèn)等整個階段，成為不可或缺的一環(huán)。中國中車科學(xué)家、國家高速動車組總成工程技術(shù)研究中心主任丁叁叁對《中國電子報》記者介紹道，以復(fù)興號研發(fā)為例，研發(fā)團(tuán)隊最初設(shè)計了46種頭型概念方案，構(gòu)建了多個全工況高速列車空氣動力學(xué)仿真模型，經(jīng)過氣動阻力、氣動升力、側(cè)向力及隧道效應(yīng)等18類、上百次仿真計算，才確定7種備選頭型，然后又結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)和動模型試驗(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)測表明，復(fù)興號以時速350千米運(yùn)行時，整車運(yùn)行阻力64kN，與既有的和諧號系列相比，降低了12%，往返一趟京滬可節(jié)省5000度電。

　　此外，仿真技術(shù)在汽車制造領(lǐng)域的發(fā)展前景也被普遍看好。上汽大眾汽車有限公司產(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，逐漸取消試制樣車是仿真技術(shù)給汽車制造領(lǐng)域帶來的最大改變之一?！拔覀円呀?jīng)在幾個車型項目上做到完全取消試制樣車?！?/p>

　　他還向《中國電子報》記者分享了一個親身經(jīng)歷的故事：“以前我們在黑河做除霜實(shí)驗(yàn)，冬天零下25度的溫度，把花費(fèi)6個月制造的樣車放室外凍一個晚上，再往玻璃上噴水霧凍1個小時，然后讓駕駛員啟動車輛，不踩油門，把暖風(fēng)開到最大。我們圍著車觀察玻璃上的除霜過程，過程中一旦發(fā)現(xiàn)問題還得從頭再來一遍?，F(xiàn)在通過仿真手段模擬這個過程，不必造樣車，不必等到冬季，還可以在短時間內(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)問題馬上就可以改，基本只要一天就能改好?！?/p>

　　事實(shí)上，伴隨制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，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)帶來更多的細(xì)分應(yīng)用場景。

　　仿真技術(shù)應(yīng)用普及還須提升

　　中國仿真學(xué)會副理事長、清華大學(xué)自動化系教授范文慧在3月27日召開的“2021中國仿真技術(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)市場約每年1500億美元，2012年中國仿真產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模至少每年約900億元?！?/p>

　　從國內(nèi)仿真產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模來看：民用市場中，國外公司市場優(yōu)勢明顯，占國內(nèi)仿真市場大約70%；國內(nèi)公司規(guī)模小、數(shù)量多，多以代理和系統(tǒng)集成為主，自主知識產(chǎn)權(quán)含量不高。在國防軍工、航空航天以及其他尖端核心技術(shù)等軍用領(lǐng)域，國外公司受限很大；擁有國防軍工資質(zhì)的、具有一定自主創(chuàng)新能力的國內(nèi)廠商具有相當(dāng)優(yōu)勢。此外，在國內(nèi)仿真市場，仿真產(chǎn)品用戶本身也是潛在競爭者，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，盡管仿真技術(shù)近年來在國內(nèi)發(fā)展迅速，但依然存在行業(yè)競爭水平一般、市場開發(fā)面窄、技術(shù)創(chuàng)新缺乏、產(chǎn)品服務(wù)市場開拓差等諸多問題。相較于歐美國家，我國的仿真市場起步晚、規(guī)模小，研發(fā)水平相對滯后，市場發(fā)育度也比較低。

　　從國內(nèi)制造業(yè)發(fā)展情況來看，我國制造業(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，柴旭東還指出，國內(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，懂專業(yè)和掌握仿真技術(shù)的復(fù)合型人才缺乏，以及各類仿真工業(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)迎來巨大發(fā)展機(jī)遇

　　《中國電子報》記者在天眼查上搜索發(fā)現(xiàn)，截至3月29日，國內(nèi)做仿真軟件業(yè)務(wù)的公司大約有7000多家。根據(jù)成立時長來看，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，我國還有一批深耕仿真技術(shù)的科研院所與高校，比如中國工程院、中科院、清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等。可見，仿真技術(shù)在中國市場播下的種子已經(jīng)萌芽。

　　當(dāng)下，我國制造業(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)，仿真也迎來了巨大的發(fā)展機(jī)遇。越來越多的企業(yè)和機(jī)構(gòu)意識到，仿真產(chǎn)業(yè)技術(shù)壁壘高、發(fā)展周期長、市場空間大，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、共贏未來才是最佳選擇。

　　未來的路怎么走？值得關(guān)注的是，國內(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。日前，該聯(lián)盟在京召開“2021中國仿真技術(shù)產(chǎn)業(yè)高峰論壇”。來自各行各業(yè)的專家圍繞仿真技術(shù)未來發(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)型升級的關(guān)鍵抓手?！眹夜I(yè)信息安全發(fā)展研究中心交流合作處副處長李君在論壇上談道。我國制造業(yè)對數(shù)字化仿真的分類、分級、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，通過標(biāo)準(zhǔn)引導(dǎo)產(chǎn)、學(xué)、研各界正確認(rèn)識各類制造業(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)該通過制定產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策、鼓勵國際交流合作、完善人才培養(yǎng)和獎勵機(jī)制等多種措施來推動仿真與制造業(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。

　　“一場科技革命與產(chǎn)業(yè)變革已在全球快速展開。”中國工程院院士李伯虎表示：“新時代、新形勢、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)中國智能制造加速發(fā)展?！保ㄓ浾咚捂海?/p>

　　轉(zhuǎn)自：中國電子報

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