今天，數(shù)字孿生、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算這些概念在整個產(chǎn)業(yè)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(chǔ)的話，那么這些概念將無法真正落地，因為模型是數(shù)字世界與物理世界連接的橋梁，另一方面，仿真技術(shù)使得在復(fù)雜變化的制造現(xiàn)場可以實現(xiàn)非常多的虛擬測試、早期驗證，降低整個制造業(yè)的整體成本，很多時候，我們必須了解為什么要進(jìn)行建模仿真？

　　機(jī)器生產(chǎn)中的復(fù)雜變化

　　究竟機(jī)器的生產(chǎn)有多么復(fù)雜？只有研發(fā)機(jī)器的工程師們才能更清楚，在每個行業(yè)，生產(chǎn)的復(fù)雜度都包含了多個維度：

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

　?。?）工藝的復(fù)雜性：對于印刷本身也有柔版、凹版、膠印多種，包括輪轉(zhuǎn)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(zhuǎn)杯紡、渦流紡、氣流紡、環(huán)錠紡等多種形式。

　　（3）流程的復(fù)雜性：生產(chǎn)的工序也隨著生產(chǎn)任務(wù)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(biāo)單元可能會有1個、2個、3個不同的標(biāo)簽，都會組合成不同的工序流程。

　　圖1-機(jī)器的變化組合成千上萬

　　如圖1所示，從上面三點(diǎn)，我們就可以看到，一臺機(jī)器如果希望它具有廣泛的適應(yīng)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(fù)雜的地方—也是為什么必須進(jìn)行建模仿真的原因。

　　如果不采用建模仿真來進(jìn)行這樣的模型構(gòu)建，對于機(jī)器的開發(fā)而言，就必須進(jìn)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(huán)節(jié)的投入，一個機(jī)器的研發(fā)仍然是投入巨大的，尤其是具有“高端”定位的機(jī)器，它必須擁有穩(wěn)定而可靠的，適應(yīng)變化生產(chǎn)的能力。

　　建模仿真帶來哪些應(yīng)用優(yōu)勢？

　　如果我們?nèi)鞒痰目创龣C(jī)器的開發(fā)，從概念設(shè)計、原型設(shè)計、測試驗證，整個流程中，最燒錢的地方在哪里？

　　圖2-基于V模式的開發(fā)

　　對于機(jī)器與系統(tǒng)的開發(fā)，V-Mode是普遍被應(yīng)用的模式，在整個設(shè)計與開發(fā)階段，從概念到需求、功能規(guī)范、子系統(tǒng)設(shè)計再到實現(xiàn)，各個階段對應(yīng)都有相應(yīng)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(wù)的質(zhì)量與進(jìn)度得到控制，順利完成產(chǎn)品整個的研發(fā)過程，而這些過程中，真正需要耗費(fèi)大量的成本的往往是測試驗證這些過程。

　　在傳統(tǒng)的機(jī)器設(shè)計中，這個環(huán)節(jié)往往需要按照嚴(yán)格的流程來進(jìn)行，而通過建模仿真所實現(xiàn)的虛擬測試與驗證可以使得這個環(huán)節(jié)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(fā)工具和方法，可以實現(xiàn)電氣控制與應(yīng)用軟件和機(jī)械的并行開發(fā)。

　　圖3-并行工程

　　建模仿真可以讓機(jī)器的開發(fā)帶來非常多的便利，包括如圖4的幾個方面：

　　（1）虛擬調(diào)試縮短開發(fā)周期與降低成本

　　對材料的工藝特性、機(jī)械傳動、控制的聯(lián)合測試中，只有在虛擬環(huán)境中，對參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)的調(diào)整，才是最節(jié)省成本的，只有幾乎完成最優(yōu)后，再下載到物理對象上進(jìn)行驗證，才能更好的實現(xiàn)成本的降低，否則，例如印刷機(jī)，如果要進(jìn)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(fèi)用就很快消耗掉，而大量的機(jī)器功能會造成巨額的測試成本。

　　（2）降低安全風(fēng)險

　　對于一些設(shè)備而言，虛擬測試與驗證還可以降低安全風(fēng)險，例如風(fēng)力發(fā)電對于各種安全機(jī)制的測試，包括在一些大型機(jī)械裝備的開發(fā)中，如果沒有良好的安全機(jī)制保障，那么就有潛在的安全風(fēng)險，因此，可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行。

　?。?）復(fù)用的組件開發(fā)

　　對于很多具有共性的應(yīng)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(fā)各種控制模式下（閉環(huán)、開環(huán)、有跳舞輥、伺服電機(jī)調(diào)節(jié)等）的模型及其參數(shù)驗證，然后封裝為可復(fù)用的共性組件，在應(yīng)用開發(fā)中，直接配置其模式、參數(shù)等，加速機(jī)器的配置，響應(yīng)快速的市場變化需求。

　　圖4-建模仿帶來的好處

　　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(shù)據(jù)應(yīng)用可以實現(xiàn)：

（1）數(shù)字孿生：通過動態(tài)的實時交互，數(shù)字系統(tǒng)與物理系統(tǒng)可以進(jìn)行動態(tài)驗證，尤其在個性化生產(chǎn)中，這種實時交互對于響應(yīng)產(chǎn)線變化至關(guān)重要。    

（2）AR/VR應(yīng)用：有了模型后，這些模型與現(xiàn)場數(shù)據(jù)的匹配會讓AR/VR的應(yīng)用成為可能，可以進(jìn)行可視化培訓(xùn)、在線安裝調(diào)試的指導(dǎo)等等工作。

（3）機(jī)器學(xué)習(xí)：數(shù)據(jù)驅(qū)動與模型驅(qū)動必須融合，才能各自發(fā)揮其優(yōu)勢，基于數(shù)據(jù)的可以發(fā)掘潛在的規(guī)律，而模型將已有的知識形成控制，兩者互補(bǔ)，學(xué)習(xí)到的新規(guī)律可以被融入到機(jī)理模型，而機(jī)理模型又能夠為學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

　　總之，有了模型，可以做非常多的事情，可以讓機(jī)器制造商實現(xiàn)非常多的機(jī)器靈活設(shè)計和功能設(shè)計。

　　建模仿真是真正創(chuàng)新設(shè)計的源頭

　　“知其然，也要知其所以然”—這就是在制造領(lǐng)域里我們必須知道機(jī)器設(shè)計的“Why”-源頭的原理，建模就是對整個機(jī)器進(jìn)行真正的根源性設(shè)計，而這種設(shè)計也是后續(xù)所有“創(chuàng)新”的源泉，如果缺乏這些數(shù)字建模，那么就意味著我們?nèi)狈Α白兓钡哪芰?，只是測繪了一種機(jī)械，而沒有掌握它的原理性設(shè)計，即使采用“逆向工程”，其實，也是不能完全掌握其設(shè)計精髓，無法讓我們在這個基礎(chǔ)上獲得創(chuàng)新，當(dāng)在競爭中，做一些調(diào)整，尤其是現(xiàn)在機(jī)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(xiàn)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(shù)”。

　　貝加萊支持建模仿真的實現(xiàn)方法

　　圖5-貝加萊的建模仿真層級

　　作為領(lǐng)先的自動化廠商，在建模仿真領(lǐng)域，在早期的控制系統(tǒng)設(shè)計時即采用了建模仿真的接口連接，自2008年Mathworks推出Simulink PLC時，最初發(fā)布針對C代碼的自動代碼生成，貝加萊的Automation Studio即支持高級語言，通過ASTargetfor Simulink接口可以一鍵導(dǎo)入到Automation Studio中進(jìn)行硬件在環(huán)測試（Hardware In the Loop），在之后又與MapSim、IndustrailPhysics進(jìn)行了合作，開發(fā)基于FMU/FMI接口，F(xiàn)MU是功能模型單元，而FMI是功能模型接口，通過在MapSim和IndustrialPhysics中的建模仿真的代碼（二進(jìn)制）和描述（XML）可以被通過FMI下載到Automation Studio中進(jìn)行測試。

　　圖6-AutomationStudio與各種建模仿真軟件的交互過程

　　貝加萊自身Automation Studio中有針對硬件設(shè)備的仿真和ScenViewer的可視化呈現(xiàn)，而MATLAB/Simulink是針對傳感器、控制與驅(qū)動系統(tǒng)的建模仿真，MapleSim則是針對機(jī)械的傳動控制、運(yùn)動學(xué)、物理學(xué)（摩擦力、張力）等進(jìn)行建模仿真，如圖6所示，IndustrialPhysics則是針對生產(chǎn)流程，產(chǎn)線聯(lián)合進(jìn)行包括避免碰撞、物料流動過程的建模仿真，即，面向生產(chǎn)過程的建模仿真，這些都可以通過FMU/FMI與Automation Studio進(jìn)行交互，未來，這個接口也可以是基于OPCUA來實現(xiàn)。

　　建模仿真的實現(xiàn)案例

　　在集裝箱吊裝的岸橋系統(tǒng)、履帶吊、龍門吊等領(lǐng)域因為鐘擺效應(yīng)使得被吊裝的物體不能快速處于穩(wěn)定狀態(tài)，而使得整個效率比較低，防搖系統(tǒng)即用于解決這類問題，在貝加萊，工程師們通過如圖7所示的過程，首先對岸橋的吊裝過程進(jìn)行物理的建模（吊裝的路徑尺寸、岸橋機(jī)械、摩擦力、位置、速度等傳感器采樣）、然后在MATLAB/Simulink里對它的控制對象-變頻器的輸出進(jìn)行算法設(shè)計和參數(shù)調(diào)校，使得獲得一個最佳的控制模型，然后下載到Automation Studio進(jìn)行物理對象的虛擬調(diào)試，進(jìn)行各種場景下的功能測試（下方有/無障礙物、加速度限制、手/自動切換），然后經(jīng)過反復(fù)驗證后代碼封裝成一個軟件功能塊，供反復(fù)的使用，用戶根據(jù)自身的岸橋機(jī)械、功能需求進(jìn)行配置這個模塊，即可生成整個應(yīng)用程序，快速而可靠。

　　圖7-防搖系統(tǒng)的建模仿真開發(fā)

　　圖8-防搖系統(tǒng)的功能設(shè)計

　　圖8是基于建模仿真開發(fā)的防搖系統(tǒng)的功能和特性，包括防止碰撞的安全區(qū)設(shè)計、軌跡信息預(yù)知、手/自動切換、軌跡上停車、軌跡限制、精確定位等功能，該系統(tǒng)已經(jīng)在多個港口的岸橋系統(tǒng)得以應(yīng)用。

　　在無數(shù)的變化中，如果沒有建模和仿真，我們將迷失在材料和流程的千變?nèi)f化中不得其法，而所有的創(chuàng)新都來自于我們對客觀世界的理解，對我們知識的凝聚，而建模仿真則是實現(xiàn)這個創(chuàng)新與發(fā)展的根基。