智能制造：建模与仿真技术优化方案

智能制造中的建模与仿真技术是指智能制造全生命周期活动中制造产品、环境、智能制造系统、智能制造模式与过程有关的建模与仿真技术。它是实现智能制造的重要方法与技术手段。

建模与仿真技术已成功地应用在制造全生命周期活动中（见图6.2），支持了如虚拟制造、基于仿真的采办、敏捷制造、并行工程/企业、绿色制造等一系列先进的制造模式，为实现制造业信息化、应对知识经济和制造全球化的挑战、提高企业/产业竞争力发挥了重要作用。

例如，在武器系统（产品）论证阶段，可以构造体系对抗建模与仿真系统（见图6.3（a）），在典型的作战想定下对武器系统的总体指标进行各种仿真试验，从而实现武器系统（产品）技术性能的研究分析与论证；产品设计阶段，由传统的单学科设计、物理样机试验的方式转变为基于虚拟样机的设计模式（见图6.3（b））。生产管理阶段，将建模仿真技术融入生产管理中（见图6.3（c）），通过对生产制造过程中产生的海量数据进行分析仿真，为生产管理决策和流程调度优化提供辅助支持。

图6.2　建模与仿真技术在制造全生命周期中的应用

智能制造是指产品及其制造全生命周期中需求论证、设计、生产、集成、试验、服务和管理等各阶段活动与过程的数字化、网络化、智能化制造。它是现代制造模式和手段发展的新阶段。智能制造的具体内容是：通过信息技术（如云计算、物联网、大数据等）、建模仿真技术、智能科学技术、（大）制造技术和制造应用领域技术等的融合与创新应用，对制造全系统、全生命周期活动（产业链）中的人、机、物、环境、信息进行智慧地感知、互联、协同、分析、预测、决策、控制与执行， 使产品研制的全系统、全生命周期过程中人/组织、经营管理、装备/技术（三要素）及信息流、物流、资金流、知识流、服务流（五流）实现集成优化，改善企业（或集团）产品创新（P）及其开发时间（T）、质量（Q）、成本（C）、服务（S）、环境清洁（E）和知识含量（K），旨在实现高效、优质、低耗、绿色地制造产品和服务用户，进而提高企业（或集团）的市场竞争能力。智能制造手段的特征是数字化、集成化、协同化、服务化、网络化、智能化；其制造模式是基于模型/数据/知识的个性化、社会化、敏捷化、绿色化创新模式。智能制造系统是按上述制造模式和手段构建的制造系统，它是数字化、网络化（互联化）、智能化制造硬软件系统与人（专家、专业人员、用户）集成优化的人机共融制造系统。

图6.3　建模与仿真技术应用示例

智能制造对建模仿真技术的发展与应用提出了新的挑战，包括制造产品、环境、智能制造系统、智能制造模式与过程有关的建模技术，建模仿真系统与支撑技术及仿真应用工程技术等。(www.xing528.com)

（1）在产品建模技术方面。传统的产品建模技术，以CAD技术的发展为代表，经历了曲面造型系统、实体造型技术、参数化技术、变量化技术的发展过程，目前产品建模已经从几何、特征建模逐步转变为智能建模、装配建模、集成建模。现代先进制造模式下，利用计算机辅助产品设计面临更多挑战，包括系统组成复杂，往往是机械、控制、电子等不同学科领域子系统的综合组成体；开发过程复杂，不仅包括时间纵轴上存在的先后设计活动，还包括横轴上某一时刻并发的设计任务之间的相互影响；系统行为复杂，对总体性能的要求往往高于对单个功能模块的要求。因此，需要基于建模仿真技术构建全数字化的产品模型，支持先进制造系统中定义和表达全生命周期中的数据、活动等，探索产品集成建模技术，从而更加系统全面地设计产品性能参数、简化产品开发过程的复杂性、提高产品试验的效率、增强设计工作的沉浸感。

（2）在建模仿真系统与支撑技术方面。目前，制造企业的结构和管理都是按照职能划分建立起来的。这种静态的、递阶的组织结构能够很好地满足大批量的规模生产，极大地提高生产率。但随着全球化进程的不断深化，制造商、客户之间的关系已由卖方市场变为买方市场，这就要求企业能够迅速地对客户多变的需求做出响应，企业生产方式也相应转为多品种、小批量。因此，传统的基于功能的静态组织和管理已不能适应新环境的要求。利用建模仿真技术，从制造系统工程的角度建立制造过程及系统的柔性仿真支撑平台，通过过程模型将企业的人、技术、管理、组织和资源有机地集成，才能真正从根本上解决制造系统的柔性问题，让企业及其产业范围内的动态联盟能够实现面向市场和客户的动态行为，实现企业资源和技术的有效重组，使制造系统成为一个协调的有机体。

（3）在智能制造仿真应用工程技术方面。对产品和制造系统及其过程模型的一致有效性研究，是保证建模仿真技术在制造领域推广应用的前提。仿真可信性/可信度是所有仿真系统的生命线，校核、验证与确认（VV&A）技术是保证仿真系统可信性/可信度的必要手段。在泛在信息智能制造模式下，大量实验数据的管理、分析与评估以及产品模型、企业模型、过程模型等的置信度水平研究，是基于模型/知识的智能制造能够成功应用的必要条件，有助于企业积极地应用模型/知识指导产品研发与生产和企业过程重构等，真正发挥仿真技术在可操纵性、可重复性、灵活性、安全性、经济性、不受环境条件和空域场地的限制等方面的优越性，使未来产品全生命周期过程都基于可信模型来开展。

近年来，工业发达国家推出的一系列重振制造业的重大举措中，特别强调了建模仿真技术在推动制造新模式中的重要地位与发展方向。如美国，在2011年的NDIA-AME的制造业建模仿真报告中，突出强调M&S在产品可制造性中的作用；2012年国家先进制造战略计划（AM）的制定中，明确提出用M&S技术缩短产品开发成本和周期。另外，2005年，由CAM-I国际先进制造联盟组织完成的NGMS-IMS 3个阶段实施目标中，明确提出使用M&S研究和实现“数字工厂”；2009年，欧盟主导的IMS 2020计划中，也明确提出在柔性制造系统和成本控制制造系统两方面使用M&S。

深入研究与开发智能制造中的建模与仿真技术，将极大地提高我国制造业的设计制造管理水平，缩短在制造业信息化方面与发达国家的差距，从而有效地增强国际竞争力，促进我国“从制造大国向制造强国迈进”战略目标的实现。