編者按：本文是根據(jù)安世亞太高級(jí)副總裁田鋒先生受邀參加2024年11月15日在株洲召開(kāi)的工業(yè)軟件創(chuàng)新發(fā)展大會(huì)的發(fā)言稿整理而成。該會(huì)議的目的是研討工業(yè)軟件賦能重點(diǎn)行業(yè)場(chǎng)景的方案和方法。仿真軟件是工業(yè)軟件之花，在工業(yè)場(chǎng)景的應(yīng)用模式是工業(yè)軟件應(yīng)用的風(fēng)向標(biāo)。仿真技術(shù)在某個(gè)地區(qū)和行業(yè)的應(yīng)用的廣度、深度和創(chuàng)新程度，標(biāo)志著該地區(qū)和行業(yè)的工業(yè)的發(fā)展程度。所以會(huì)議舉辦者特別邀請(qǐng)作者講一下仿真技術(shù)在工業(yè)場(chǎng)景中的新應(yīng)用，所以本次發(fā)言及本文的副標(biāo)題選為“世界失去仿真，將會(huì)變得怎樣”。

　　過(guò)去，仿真技術(shù)通常應(yīng)用在研發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中。今天，仿真已經(jīng)跨出這個(gè)圈層，走向制造和運(yùn)維。過(guò)去，仿真往往用來(lái)幫助用戶加速創(chuàng)新，今天，仿真幫助用戶走向綠色，走向智能。所以今天的話題，我們選了三個(gè)仿真場(chǎng)景：創(chuàng)新、綠色和孿生。話題名稱分別稱為：1）無(wú)仿真，不創(chuàng)新；2）無(wú)仿真，不綠色；3）無(wú)仿真，不孿生。

　　1、無(wú)仿真，不創(chuàng)新

　　企業(yè)的產(chǎn)品創(chuàng)新都是從正向設(shè)計(jì)開(kāi)始的。正向設(shè)計(jì)是一個(gè)完備的V模型，區(qū)別是以前逆向工程不完整的V模型，通常左上角的三個(gè)過(guò)程是缺失的。

　　正向設(shè)計(jì)V模型分三部分，左邊是設(shè)計(jì)階段，右邊稱為驗(yàn)證階段，中間是試制階段，這三部分每個(gè)部分都有多個(gè)小階段構(gòu)成。過(guò)去對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證的方法是試制出來(lái)做驗(yàn)證，其實(shí)就是這個(gè)V模型的全過(guò)程：設(shè)計(jì)－試制－驗(yàn)證。但這種驗(yàn)證方式，等完全設(shè)計(jì)完成后，試制出來(lái)驗(yàn)證后，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的時(shí)候就太晚了，所以在新時(shí)代就發(fā)明了一系列新方法，這些方法目的是在設(shè)計(jì)的每一個(gè)小階段都進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證成功后才往下走。這些方法其實(shí)就是一系列虛擬驗(yàn)證方法，這就是仿真產(chǎn)生的原因。仿真其實(shí)就是對(duì)設(shè)計(jì)做虛擬驗(yàn)證。

　　現(xiàn)在，仿真可以用在V模型所有過(guò)程：設(shè)計(jì)階段、制造階段和驗(yàn)證階段。

　　在90年代，設(shè)計(jì)是串行的，后期一旦發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的時(shí)候，修正便需要大量的成本和時(shí)間?，F(xiàn)在仿真技術(shù)可以讓設(shè)計(jì)過(guò)程做大量迭代，指導(dǎo)產(chǎn)品在虛擬環(huán)境中驗(yàn)證成功，讓設(shè)計(jì)和制造一次成功。在你還沒(méi)見(jiàn)到實(shí)物前，你的產(chǎn)品已經(jīng)得到了很好的驗(yàn)證，這就是仿真在設(shè)計(jì)階段發(fā)揮的巨大作用。下圖中的圓圈就是仿真的過(guò)程。

　　設(shè)計(jì)過(guò)程的仿真還分兩步，一步是系統(tǒng)仿真，一步是物理仿真（即CAE）。

　　系統(tǒng)仿真用于產(chǎn)品架構(gòu)級(jí)設(shè)計(jì)過(guò)程，此時(shí)產(chǎn)品還沒(méi)進(jìn)入工程細(xì)節(jié)過(guò)程，你所見(jiàn)到的設(shè)計(jì)圖紙和仿真對(duì)象都不是所見(jiàn)即所得的實(shí)物，而是框架圖和邏輯圖。

　　在細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)圖紙和仿真對(duì)象都是所見(jiàn)即所得的類實(shí)物圖。通常這個(gè)過(guò)程的仿真是物理場(chǎng)仿真，包括結(jié)構(gòu)場(chǎng)（應(yīng)力應(yīng)變）、流場(chǎng)、電磁場(chǎng)以及他們之間的耦合場(chǎng)。

　　現(xiàn)在的仿真越來(lái)越多地應(yīng)用在制造階段。過(guò)去制造過(guò)程也是串行的，當(dāng)你在車床上制造發(fā)現(xiàn)工藝不通時(shí)，再回來(lái)修正又是大量的成本和時(shí)間?，F(xiàn)在仿真參與到制造過(guò)程，讓制造在虛擬環(huán)境中試制并優(yōu)化工藝，可以進(jìn)行鑄造、切削、成形和熱處理等的虛擬制造，然后實(shí)現(xiàn)一次制造成功。

　　過(guò)去我們常常用實(shí)物做試驗(yàn)，現(xiàn)在越來(lái)越多的試驗(yàn)被計(jì)算機(jī)替代。本來(lái)仿真的目的是讓實(shí)物試驗(yàn)越來(lái)越少，但在很多行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求下，實(shí)物試驗(yàn)不可缺少，沒(méi)有實(shí)物試驗(yàn)報(bào)告，汽車不允許上路，飛機(jī)不允許上天。過(guò)去做試驗(yàn)往往需要大量的時(shí)間和成本，試錯(cuò)很多次才能得到一次有效的試驗(yàn)報(bào)告?，F(xiàn)在，在你做實(shí)物試驗(yàn)之前，先在計(jì)算機(jī)中把試驗(yàn)做完，然后進(jìn)行實(shí)物試驗(yàn)，往往可以一次成功，一次獲得有效的試驗(yàn)報(bào)告。數(shù)字風(fēng)洞、虛擬試驗(yàn)場(chǎng)和虛擬跌落是我們常做的試驗(yàn)仿真。

　　2、無(wú)仿真，不綠色

　　綠色設(shè)計(jì)和制造的理念和靈感來(lái)源于大自然的生長(zhǎng)和進(jìn)化。現(xiàn)在我們所有的人造物的浪費(fèi)率都是70%以上，你用的所有的產(chǎn)品設(shè)計(jì)都有70% 的冗余，70%重量是多余的。大自然的結(jié)構(gòu)，每一棵樹(shù)，每一片葉子，都是用最少的材料達(dá)到它的目的。綠色設(shè)計(jì)和綠色制造就是向大自然學(xué)習(xí)，把產(chǎn)品打造得最輕便從而最綠色。

　　過(guò)去我們的產(chǎn)品為什么都是那么傻大笨粗，都是因?yàn)橹圃旒夹g(shù)所限，不允許我們把產(chǎn)品做得太精細(xì)化，精細(xì)化是有成本的，甚至無(wú)法完成。精密鑄造和增材智造技術(shù)的出現(xiàn)改變了世界，可以產(chǎn)品內(nèi)部制造成鏤空的格架結(jié)構(gòu)，使得產(chǎn)品的重量和材料只有以前的30%。

　　制造技術(shù)的進(jìn)步解放了我們的設(shè)計(jì)，讓我們的設(shè)計(jì)可以方法思想，把結(jié)果設(shè)計(jì)到極致。我們過(guò)去設(shè)計(jì)的產(chǎn)品似乎已經(jīng)很好了，原以為加筋處理后結(jié)構(gòu)已經(jīng)挺好了，其實(shí)用綠色設(shè)計(jì)和制造后可以把產(chǎn)品做成完全鏤空，更輕，材料更少，但仍然滿足要求。

　　為什么仿真會(huì)在這個(gè)過(guò)程中發(fā)揮巨大作用？過(guò)去的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)有標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)驗(yàn)可以遵循，沒(méi)有仿真也可以設(shè)計(jì)出可用的產(chǎn)品。在綠色設(shè)計(jì)時(shí)代，標(biāo)準(zhǔn)失效了，經(jīng)驗(yàn)和不存在，仿真是唯一的確保設(shè)計(jì)快速和有效的手段。

　　大量的案例表明，綠色設(shè)計(jì)和制造可以讓多數(shù)實(shí)現(xiàn)減少60%到70%的材料和重量。

　　3、無(wú)仿真，不孿生

　　數(shù)字孿生實(shí)際上是個(gè)智能化的手段，在產(chǎn)品運(yùn)維的過(guò)程尤為如此。過(guò)去的仿真不是數(shù)字孿生，雖然他看上去很像物理對(duì)象。數(shù)字孿生的要點(diǎn)在于互動(dòng)，仿真模型和實(shí)物對(duì)象不停發(fā)生互動(dòng)才能成為孿生，這樣才能起到智能化作用。過(guò)去的仿真是想定了一個(gè)場(chǎng)景，通常是極致場(chǎng)景和極限工況，仿真用來(lái)考察在這種極限情況下是不是仍然可以使用。但我們的產(chǎn)品90%以上的運(yùn)行時(shí)間是不會(huì)達(dá)到極限工況的。也就是說(shuō)，相對(duì)于日常運(yùn)行的工況，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)是冗余的。那么，我們?nèi)绾卧谌粘＿\(yùn)行過(guò)程中優(yōu)化使用模式，盡量減少二次浪費(fèi)。此時(shí)數(shù)字孿生便開(kāi)始發(fā)揮作用。

　　我們提了一個(gè)數(shù)字孿生生命體模型，包括基于數(shù)字模型的軀體（數(shù)化）、基于物聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)（互動(dòng)）、基于仿真的左腦（先知）、基于數(shù)據(jù)分析的右腦（先覺(jué)）、基于可視化的五官（交互）和基于數(shù)字線程的社會(huì)性（共智）六個(gè)部分。

　　仿真技術(shù)在數(shù)字化轉(zhuǎn)型生命體中發(fā)揮左腦的作用。仿真是基于完整信息和明確機(jī)理計(jì)算未來(lái)的方法，很像人類的專門從事理性思考的左腦。左腦是根據(jù)已知規(guī)律來(lái)推算未來(lái)，具有邏輯思維能力。仿真只要知道運(yùn)行機(jī)理，就能計(jì)算運(yùn)行結(jié)果。這里的仿真已經(jīng)不再是過(guò)去的仿真，數(shù)字孿生中的仿真是實(shí)時(shí)的。過(guò)去的仿真是靜態(tài)的，根據(jù)某一個(gè)和幾個(gè)極限場(chǎng)景來(lái)計(jì)算。數(shù)字孿生中的仿真則需要根據(jù)當(dāng)前的初始狀態(tài)和邊界條件獲得下一秒的預(yù)測(cè)，然后根據(jù)預(yù)測(cè)和優(yōu)化的結(jié)論來(lái)改變物理對(duì)象，不然數(shù)字孿生就失去了意義。

　　實(shí)時(shí)仿真如何做到？過(guò)去的CAE計(jì)算過(guò)程往往需要數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天，等計(jì)算完成已經(jīng)時(shí)過(guò)境遷，這種速度當(dāng)然無(wú)法滿足數(shù)字孿生的要求。今天的做法就是利用AI的手段來(lái)訓(xùn)練一個(gè)CAE智能體，這種智能體的響應(yīng)速度能達(dá)到秒級(jí)甚至更短?；跀?shù)據(jù)的AI有一個(gè)重要的門檻，那就是具備大量的有效數(shù)據(jù)，這是多數(shù)工業(yè)AI無(wú)法發(fā)揮作用的原因。但基于CAE的AI卻沒(méi)有這個(gè)問(wèn)題，因?yàn)镃AE本身就可以創(chuàng)造數(shù)據(jù)。基于CAE的AI智能體的計(jì)算結(jié)果和CAE的差別很小，但速度卻能相差萬(wàn)倍，這就是實(shí)時(shí)仿真的原理。

　　下圖是基于仿真的數(shù)字孿生的運(yùn)行邏輯，基于CAE仿真訓(xùn)練的AI智能體完畢后，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)獲得實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)和產(chǎn)品狀態(tài)數(shù)據(jù)，作為CAE-AI智能體的輸入，智能體會(huì)計(jì)算出來(lái)一個(gè)結(jié)果，但這個(gè)結(jié)果往往不是最優(yōu)的，所以需要進(jìn)行優(yōu)化，輸出一套產(chǎn)品設(shè)置的優(yōu)化參數(shù)，根據(jù)這個(gè)參數(shù)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)輸回物理對(duì)象，來(lái)調(diào)整物理對(duì)象以達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。

　　用這種方法，我們可以讓汽車駕駛艙的空調(diào)智能化，自動(dòng)人工調(diào)整出風(fēng)口讓體感最舒服；讓超臨界二氧化碳循環(huán)系統(tǒng)中閥門可以自動(dòng)調(diào)整，達(dá)到最高效和高質(zhì)量的加工模式，讓IDC（數(shù)據(jù)中心）的機(jī)房可以自動(dòng)調(diào)整空調(diào)策略，讓每天省一半的電費(fèi)；讓航空發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行可以自動(dòng)調(diào)優(yōu)，讓服務(wù)型制造成為可能。

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