1.我們真的在搞智能制造嗎？

 前幾天看到朋友圈某位朋友發(fā)的感慨，自己寫的東西被認為太專業(yè)，領導會看不懂，他覺得那么這樣不懂基本概念的人如何指導智能制造呢？其實，我也有同樣的感慨，具體事宜此處不表-因為我也的確承認應該寫的通俗易懂。

 

1.1我們有創(chuàng)新嗎?

我當時寫的是建模仿真應用，只是概念性，但是，這使得我突然意識到了一個很嚴重的問題“我們是在創(chuàng)新嗎？”—因為如果我們真正在做自主創(chuàng)新的話，我們應該會需要使用到這樣的建模仿真工具來對構建數(shù)字模型，然后仿真以實現(xiàn)最佳的工藝或策略的預先測試與驗證，后來想了想很多我們的制造業(yè)其實都是“拷貝”的，當然了，必須承認這是一個過程，我相信日本人、德國人都會經(jīng)歷這個過程，但是，在一個真正具有競爭力的企業(yè)、一個自主自強創(chuàng)新贏得全球競爭力的國家而言，必須是要有自己的創(chuàng)新的—創(chuàng)新有豐厚的回報，就像今天我們在芯片領域受到的制約，如果我們自己有這方面的能力，我們可以不用繳付那么多的專利費，而使得我們產(chǎn)品更具全球競爭力。

 

1.2數(shù)字孿生的流行

今年漢諾威展上，我的朋友史揚在展館參觀時還給我發(fā)微信談到感受，他發(fā)現(xiàn)Digital Twin非常之流行，而我對此也不甚了解，因此，前天晚上與趙敏老師進行了溝通確認我的想法，因為實際上在我們的應用項目中已經(jīng)有很多采用這種方式進行機電裝備的開發(fā)，例如：機器人慣量前饋、印刷套色、液壓傳動、防搖、動態(tài)定位等系統(tǒng)。想與趙敏老師對數(shù)字孿生的邊界進行了解，得到了趙敏老師非常專業(yè)的指點。

 

1.3創(chuàng)新的過程與方法

趙敏老師給了我些啟發(fā)，一個機電系統(tǒng)的設計創(chuàng)新首先是要了解需求，客戶需要什么？然后看功能定義、系統(tǒng)級的規(guī)劃、子系統(tǒng)的規(guī)劃、定義目標，我們要干什么？例如：所謂的車，把人或物從一個地方運到另一個地方—這就是目標功能，然后是用什么方法的選擇，例如采用發(fā)動機，也可以是電動方式（選擇什么技術方向這取決于技術成熟度與經(jīng)濟性）,如果采用燃油發(fā)動機驅(qū)動，然后再去具體設計機械構造，電氣系統(tǒng)、感測系統(tǒng)，這里可以通過數(shù)字方法進行仿真驗證，再到硬件系統(tǒng)上去測試反饋，進行集成測試等，這是典型的V-Model開發(fā)，機電開發(fā)的方法有很多，V-Model是比較常用適用于機器與系統(tǒng)開發(fā)的。

 

圖1 V-Model開發(fā)過程

如果你是一個這樣的流程，你就類似于“不忘初心“的方式設計，那么你對目標、原理、方法、構成是非常清楚的，對于系統(tǒng)的運行、維護、升級也是能夠持續(xù)的，而如果僅僅是抄襲的那么就會造成：

（1）.知其然，不知其所以然，那么你會無法達到最佳的效果，你永遠和別人的機器有差距。

（2）.缺乏完整開發(fā)，也使得工程師無法解決現(xiàn)場的問題，僅僅靠各種運氣的方式去測試；

（3）.花費非常久的時間卻無法達到高的運行狀態(tài)，導致機器無法成為你競爭力；

 

2.Digital Twin潮流

建模仿真在機器設計中能夠帶來非常多的好處，最大的好處在于虛擬調(diào)試，我們知道，大量的工藝并非是機器設計一蹴而就的，必須通過大量的測試實踐才能去解決，這就是質(zhì)量迭代的過程。

在過去CAD/CAE/CAPP等軟件在產(chǎn)品設計階段即提供了強大的支撐，而在運行階段也有諸多軟件提供仿真、分析，在維護階段也有各種軟件，而到了智能制造時代，一切的數(shù)字化使得產(chǎn)生了Digital Twin的概念-這個概念是奠定在數(shù)字設計、生產(chǎn)、運營維護的全生命周期的總稱。

 

圖2-德勤對數(shù)字孿生的理解（Source:DelottieUniversity Press）

圖2與圖3是來自德勤大學對Digital Twin的理解，比較直觀的描述了Digital Twin的全貌.

 

圖3-數(shù)字孿生的全景架構（來源:德勤）

 

可以看到，其將生產(chǎn)制造分為了物理（Physical）和數(shù)字（Digital）兩個世界，在物理的世界里的工作包括了物理的對象如機傳感器、執(zhí)行器、機器、控制器等實體對象，而在數(shù)字世界則是由數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)分析以及智能（Insight-洞見）構成。

這里又要回到智能制造所談及的“個性化生產(chǎn)”，因為個性化生產(chǎn)會帶來巨大的挑戰(zhàn)：

開機/換裝會造成浪費在個性化生產(chǎn)中會被放大；

面對新的加工對象其工藝參數(shù)需要據(jù)此調(diào)整；

新的流程需要重新的生產(chǎn)裝備組織；

那么我們希望能夠在一個虛擬的世界中，以不消耗實體原材料、機器與機器以及與人的安全、超限條件不具備等情形下能夠?qū)に嚨膮?shù)、路徑、策略進行仿真，并達到與現(xiàn)實物理實體理想的狀態(tài)再下載到物理設備上執(zhí)行，這樣可以大量降低原材料的成本、避免危險的發(fā)生，并確保設備間的高度協(xié)同，使得生產(chǎn)達到最佳的狀態(tài)。

 

3.Digital Twins在機電設備研發(fā)中的應用

數(shù)字孿生的應用場景比較大，包括了在前期的生產(chǎn)設計、造型、工藝輔助，以及生產(chǎn)制造、維護等制造業(yè)的全流程均可以被納入建模仿真，這次我們僅就機器開發(fā)中的數(shù)字孿生做一些分析。

記得去年一個朋友專門打電話說看到我們的系統(tǒng)提供FMU/FMI支持，覺得非常厲害--其實那個時候我對FMU和FMI還沒有概念。

 

 

圖4-機電設計中的數(shù)字孿生的架構

圖4是一個機器設計的場景，這里我們可以看到V-Model的系統(tǒng)設計階段即可以采用建模仿真軟件，圖4中我們看到了FMU/FMI，分別是什么呢？簡單介紹如下：

3.1FMI之產(chǎn)生背景

圖5-FMI產(chǎn)生的背景

對于機電系統(tǒng)的開發(fā)而言，可能會使用到多個供應商的不同工具，而FMI-Functional Mock-upInterface則是以實現(xiàn)模型交換與動態(tài)協(xié)同仿真而開發(fā)的，F(xiàn)MI這個詞翻譯就是“功能打樣接口”—即在數(shù)字環(huán)境中對生產(chǎn)進行“打樣”來自于各種生產(chǎn)場景，如印刷打樣、塑料件打樣、服裝打樣等。

如圖5所示，典型的像汽車的設計，包括了機械、液壓、電控、安全、塑料、懸掛等多個系統(tǒng)，而其設計自然需要用到不同的軟件，而這就需要如何將不同的仿真進行集成，并在控制器以及執(zhí)行機構（發(fā)動機等）上執(zhí)行，并給予反饋，實現(xiàn)硬件在環(huán)、軟件在環(huán)等測試，而不同的軟件應該有一個統(tǒng)一的接口，這就相當于OPC UA為不同的廠商設備提供了統(tǒng)一的語義互操作接口規(guī)范一樣，F(xiàn)MI也扮演這樣的角色。

3.2FMU是什么？

所謂的FMU-Functional Mock-up Unit就是采用FMI標準實現(xiàn)的模型組件，一個FMU由XML格式的描述文件和C或二進制代碼構成。

 

圖6-FMU的主要作用

圖6所示，F(xiàn)MU目的為了模型交互（Model Exchange）和協(xié)同仿真（Co-Simulation），即FMI定義了一個實現(xiàn)功能打樣FMU的接口標準。

就是為了讓不同的建模仿真軟件與物理的控制系統(tǒng)、驅(qū)動、機電對象可以相互實現(xiàn)接口，這個為了Co-Simulation-多態(tài)的調(diào)試問題，而這個接口是基于XML的標準規(guī)范而編寫的，類似于OPC UA定義了通信的語義、或者Administration Shell定義了管理所需交互的數(shù)據(jù)統(tǒng)一接口與規(guī)范。

圖7-基于FMU/FMI的開發(fā)

圖7顯示了FMU由模型描述和代碼構成，而模型描述則采用XML模式進行規(guī)范定義，屬性、類型、缺省、供應商、模型變量等內(nèi)容。

圖8則顯示了幾個不同的設計單元通過FMU/FMI來實現(xiàn)模型交互以及聯(lián)合調(diào)試。

圖8-通過FMU/FMI實現(xiàn)模型交互與協(xié)同仿真

也即，通過FMU/FMI，對于機電一體化裝備設計的企業(yè)而言，可以實現(xiàn)基于多個對象的建模仿真，并進行聯(lián)合仿真生成機器的機械、控制、工藝的最優(yōu)，節(jié)省成本，縮短研發(fā)周期。

 

3.3數(shù)字孿生能干什么？

圖9-建模仿真對于機電設計的幫助

Source：Simulation und Visualisierung imMaschinebau;VDMA Trendbefragung 2017;N=58; Mehrfachnennungen m?glich

 

圖9是VDMA關于數(shù)字孿生介紹中應用場景的分析，從VDMA的研究可以看到，Digital Twin在虛擬調(diào)試、結構、流程、運動學軌跡、機電一體化對象、制造過程（排產(chǎn)、策略）等是建模仿真的主要應用場景，也是增長最快的場景。

 

3.3.1.虛擬調(diào)試

虛擬調(diào)試是最直接的應用，在很多機器的開發(fā)過程中，傳統(tǒng)的機械設計都是先設計出機器的機械結構，并加工組裝為一臺機器，開發(fā)了電氣系統(tǒng)程序，然后聯(lián)調(diào)，帶負載進行測試，這個過程往往要消耗大量的時間在調(diào)校機械，并且消耗大量的原材料進行實際的物理測試。

而基于數(shù)字孿生，我們可以將大部分的調(diào)試在虛擬環(huán)境中來實現(xiàn)，這樣在接近最優(yōu)化的參數(shù)后再下載到控制器來帶載調(diào)試，這樣可以通過反饋結果來在線優(yōu)化參數(shù)，實現(xiàn)最佳的調(diào)試。

 

圖10-貝加萊建模仿真開發(fā)實現(xiàn)

 

可以節(jié)省大量的材料測試成本，在很多行業(yè)，這意味著非常大的成本。

3.3.2全局優(yōu)化

通過Digital Twin，如圖11在自動化、機器、過程與工廠級的全面仿真，由于有FMU/FMI統(tǒng)一的接口，各個仿真軟件的結果可以互相交互，進而能夠為整體的協(xié)調(diào)奠定基礎。

圖11-貝加萊提供從硬件、機器到工廠不同層級的仿真接口

由圖11可以看到在貝加萊的Automation Studio控制系統(tǒng)開發(fā)與MapleSim、MATLAB/Simulink、Modelica，以及工廠級的WinMOD、ISG、IndustrialPhysics都可以建立接口連接，通過FMU/FMI可以實現(xiàn)與不同的建模仿真軟件進行聯(lián)合調(diào)試，并將代碼直接到PLC上運行，實現(xiàn)硬件在環(huán)的測試。

我們所說的Digital Twin就是如何在虛擬與物理對象間進行協(xié)同，通過硬件在環(huán)Hardware in the Loop來實現(xiàn)對虛擬控制參數(shù)的優(yōu)化，包括了控制器、驅(qū)動系統(tǒng)的運動控制，也包括了最新的SuperTrak這樣的對象。

圖12-SuperTak可以實現(xiàn)建模仿真，與機器人配合進行生產(chǎn)

圖12顯示建模仿真可以對生產(chǎn)的組織進行仿真，對不同的尺寸規(guī)格的瓶子的灌裝過程，機器人旋蓋與輸送系統(tǒng)之間可以進行協(xié)同，匹配工藝參數(shù)（速度、扭矩與位置的匹配）。

3.3.3基于復用的組件模型開發(fā)

對于長期的機器開發(fā)而言，建模仿真還可以實現(xiàn)專用的機電一體化對象模型的開發(fā)，比如：張力控制、多溫區(qū)的PID調(diào)節(jié)、慣量前饋，這樣可以開發(fā)出可被復用的通用組件-Components Based Development，這是在軟件工程中的復用與組件技術，如圖13可以針對注塑機對象開發(fā)諸如mapp的射膠、熔膠、同步、開合模等應用對象，可以使得其適應于多種材料、加工工藝，使得機器具有強自適應性，并能夠快速開發(fā)機器的整體應用。

圖13-注塑機機電對象

 

 

圖14-為復用而開發(fā)的mapp機電模塊

鑒于數(shù)字孿生在機器設計中有非常多的好處，篇幅不宜過長，今后可以慢慢寫，畢竟，技術是一方面，可以慢慢交流，但是，最為重要的是我們要明白，創(chuàng)新需要工具—如果我們都沒有使用這些工具，很有可能我們并沒有創(chuàng)新—因為，在很多時候，我們是采用了所謂的“逆向工程”，省略了V-Model中的很多環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)使得我們知其然卻不知其所以然，工匠精神—在沒有前提的條件下，是無法培養(yǎng)的，創(chuàng)新，在沒有客戶需求、機理分析、建模等過程是無法真正實現(xiàn)超越的。

 

4.創(chuàng)新才是真正的彎道超車

我們總是想“彎道超車“—但是卻不愿意腳踏實地，總是希望走一條捷徑，例如：我們想走電動汽車，因為覺得燃油車這個方向似乎已經(jīng)被德國人、日本人給發(fā)揮到極致了，然后我們?nèi)グl(fā)展電動汽車，但是，我們發(fā)展電動汽車卻就是買來各種東西組裝，有騙補的，這剛剛說到比亞迪的業(yè)績因為補貼退出而極大的下滑。

 

彎道超車-是非常困難的，因為，你得有更好的駕駛能力，你的駕駛能力都不強，如何彎道超車？F1賽車在過彎的時候速度都能達到220公里甚至更高，你想想你的車有這么好的性能嗎？你的駕駛技術能比舒馬赫更嫻熟嗎？

 

有人提出“換道超車”--這對于Innovation的能力要求更高，如果連基礎的全局設計思想都沒有，工具都不會使用，談什么彎道超車呢？

 

4.1知行合一與數(shù)字孿生

就我和趙敏老師的交流，還提到了王陽明心學-知行合一，我覺得趙敏老師這個比喻非常恰當，即，“知”可以被理解為虛擬世界，而“行”可以被理解為物理世界，陽明先生說“知之真切篤實處即為行，行之明覺精察處即為知”，也就是說，理論指導實踐，實踐反饋又來優(yōu)化理論，兩者之間為一體，均服務于“致良知”—你可以理解為這個良知，即為“本心”—創(chuàng)新的源頭，是為了解決客戶的問題。

那么，我們就可以理解Digital Twin是為了解決客戶的問題，而采用的一種解決問題的方法系統(tǒng)，那么，在過去有各種CAD/CAE/CAM/CAPP等軟件，本身就是在完成Digital Twin的事情，而今天面對數(shù)字時代，需要更多的軟件的協(xié)同開發(fā)，那么，就會需要按照數(shù)字時代而統(tǒng)一命名為“Digital Twin”。

 

4.2工欲善其事，必先利其器

把車做好，才能彎道超車—因為，當你走在正確的道路上，中國的優(yōu)勢才能發(fā)揮出來，因為全世界也沒有像中國這樣的優(yōu)秀條件，那么大的市場讓你可以測試驗證你的產(chǎn)品，國家給了那么多的政策鼓勵，資金的支持。

術業(yè)有專攻、工欲善其事，必先利其器—Digital Twin是一個可以讓我們真正實現(xiàn)彎道超車的時代—Mcrazy在上周和我聊到這個話題時如是說。

 

5.應用案例：

基于建模仿真的岸橋防搖系統(tǒng)設計

圖15-基于建模仿真的防搖系統(tǒng)設計

在集裝箱吊裝過程中，岸橋的鋼繩會因鐘擺效應而產(chǎn)生搖擺，這個搖擺會使得集裝箱定位到貨車上或堆放花費更多的時間，如果能夠讓其時間縮短—通過抑制擺動，那么，對于大型集裝箱船可以裝載18000個標準箱的規(guī)模的港口吊裝過程而言，如果能夠為每個吊裝過程節(jié)省10-20%的時間，那么它會讓一個港口每年的吞吐能力大幅提高，進而帶來貿(mào)易額的增長。

 

圖15是基于Automation Studio與Simulink仿真而設計的防搖算法，通過對岸橋的吊裝過程中的機械尺寸規(guī)格、受力模型、牽引運動、速度位置反饋等納入仿真，進而對如何抑制擺動產(chǎn)生控制的驅(qū)動參數(shù)進行調(diào)節(jié)，進而降低擺動和達到快速的定位。

 

相較于傳統(tǒng)的防搖系統(tǒng)，這個最先進的電子防搖系統(tǒng)可以提升20%的效率，而其完全基于建模仿真來實現(xiàn)，并且，這樣的模型可以同樣被應用于鋼廠的天車系統(tǒng)、大型履帶吊的吊裝搖擺抑制。