今天，數字孿生、人工智能、工業互聯網、邊緣計算這些概念在整個產業里非常的火熱，但是，要知道，如果這些概念沒有“模型”作為基礎的話，這些概念將無法真正落地，因為模型是數字世界與物理世界連接的橋梁，另一方面，仿真技術使得在復雜變化的制造現場可以實現非常多的虛擬測試、早期驗證，降低整個制造業的整體成本，很多時候，我們必須了解為什么要進行建模仿真？

機器生產中的復雜變化

究竟機器的生產有多么復雜？只有研發機器的工程師們才能更清楚，在每個行業，生產的復雜度都包含了多個維度：

（1）材料的復雜性：在印刷中，紙張或薄膜都是數千種可能性，而在紡織機械領域天然的纖維如棉花、絲、羊絨等都是隨著產地而纖維特性不同，在塑料領域的顆粒種類也千變萬化，他們都擁有不同的流體加熱變形屬性，在灌裝領域，瓶子的材料、規格也是千變萬化。

（2）工藝的復雜性：對于印刷本身也有柔版、凹版、膠印多種，包括輪轉與單張的組合，還有涂布、裁切等的組合，對于紡紗也包含了轉杯紡、渦流紡、氣流紡、環錠紡等多種形式。

（3）流程的復雜性：生產的工序也隨著生產任務的不同而變化，比如灌裝不同類型的飲料時候所需的電子閥動作流程也不同，碳酸飲料與非碳酸飲料，或者貼標單元可能會有1個、2個、3個不同的標簽，都會組合成不同的工序流程。

從上面三點，我們就可以看到，一臺機器如果希望它具有廣泛的適應力，那么，它在材料、工藝、流程三個方面就會組合出成千上萬種組合，這是制造的復雜的地方—也是為什么必須進行建模仿真的原因。

如果不采用建模仿真來進行這樣的模型構建，對于機器的開發而言，就必須進行大量的物理測試與驗證，這個成本是極其巨大的。盡管，我們采用了測繪的方式，減少測試驗證環節的投入，一個機器的研發仍然是投入巨大的，尤其是具有“高端”定位的機器，它必須擁有穩定而可靠的，適應變化生產的能力。

建模仿真帶來哪些應用優勢？

如果我們全流程的看待機器的開發，從概念設計、原型設計、測試驗證，整個流程中，最燒錢的地方在哪里？

對于機器與系統的開發，V-Mode是普遍被應用的模式，在整個設計與開發階段，從概念到需求、功能規范、子系統設計再到實現，各個階段對應都有相應的測試與驗證，這個集成測試驗證是確保每個流程都能夠保證任務的質量與進度得到控制，順利完成產品整個的研發過程，而這些過程中，真正需要耗費大量成本的往往是測試驗證這些過程。

在傳統的機器設計中，這個環節往往需要按照嚴格的流程來進行，而通過建模仿真所實現的虛擬測試與驗證可以使得這個環節被提前，縮短整個流程周期，如圖3所示即是并行工程，有了建模仿真這樣的開發工具和方法，可以實現電氣控制與應用軟件和機械的并行開發。

建模仿真可以讓機器的開發帶來非常多的便利，包括如圖2的幾個方面：

（1）虛擬調試縮短開發周期與降低成本

對材料的工藝特性、機械傳動、控制的聯合測試中，只有在虛擬環境中，對參數進行最優的調整，才是最節省成本的，只有幾乎完成最優后，再下載到物理對象上進行驗證，才能更好的實現成本的降低，否則，例如印刷機，如果要進行某種材料的測試，300米的速度下一卷紙就10分鐘多燒完了，幾千塊的材料費用就很快消耗掉，而大量的機器功能會造成巨額的測試成本。

（2）降低安全風險

對于一些設備而言，虛擬測試與驗證還可以降低安全風險，例如風力發電對于各種安全機制的測試，包括在一些大型機械裝備的開發中，如果沒有良好的安全機制保障，那么就有潛在的安全風險，因此，可以在虛擬環境中進行。

（3）復用的組件開發

對于很多具有共性的應用軟件來說，例如張力控制模型針對塑料薄膜、印刷的紙張、紡織的紗線、金屬板材的開卷校平、彈簧送絲等各種場景來說，可以用于開發各種控制模式下（閉環、開環、伺服電機調節等）的模型及其參數驗證，然后封裝為可復用的共性組件，在應用開發中，直接配置其模式、參數等，加速機器的配置，響應快速的市場變化需求。

因此，建模仿真是一種顯著降低成本的方案，而且有了這些模型后，針對未來的數據應用可以實現：

（1）數字孿生：通過動態的實時交互，數字系統與物理系統可以進行動態驗證，尤其在個性化生產中，這種實時交互對于響應產線變化至關重要。

（2）AR/VR應用：有了模型后，這些模型與現場數據的匹配會讓AR/VR的應用成為可能，可以進行可視化培訓、在線安裝調試的指導等等工作。

（3）機器學習：數據驅動與模型驅動必須融合，才能各自發揮其優勢，基于數據的可以發掘潛在的規律，而模型將已有的知識形成控制，兩者互補，學習到的新規律可以被融入到機理模型，而機理模型又能夠為學習奠定基礎。

總之，有了模型，可以做非常多的事情，可以讓機器制造商實現非常多的機器靈活設計和功能設計。

建模仿真是真正創新設計的源頭

“知其然，也要知其所以然”—這就是在制造領域里我們必須知道機器設計的“Why”-源頭的原理，建模就是對整個機器進行真正的根源性設計，而這種設計也是后續所有“創新”的源泉，如果缺乏這些數字建模，那么就意味著我們缺乏“變化”的能力，只是測繪了一種機械，而沒有掌握它的原理性設計，即使采用“逆向工程”，其實，也是不能完全掌握其設計精髓，無法讓我們在這個基礎上獲得創新，當在競爭中，做一些調整，尤其是現在機械的Know-How更多的是工藝軟件形式存在、安裝方式的話，對我們來說就會意味著不知道的“坑”—要想真正實現差異化、超越，必須回到原始的建模上，才能真正掌握“核心技術”。

天佑有限元助力建模仿真

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（來源：數字化企業）