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(rèn)為太專業(yè)，領(lǐng)導(dǎo)會(huì)看不懂，他覺得那么這樣不懂基本概念的人如何指導(dǎo)智能制造呢？其實(shí)，我也有同樣的感慨，具體事宜此處不表-因?yàn)槲乙驳拇_承認(rèn)應(yīng)該寫的通俗易懂。

 

1.1我們有創(chuàng)新嗎?

我當(dāng)時(shí)寫的是建模仿真應(yīng)用，只是概念性，但是，這使得我突然意識(shí)到了一個(gè)很嚴(yán)重的問題“我們是在創(chuàng)新嗎？”—因?yàn)槿绻覀冋嬲谧鲎灾鲃?chuàng)新的話，我們應(yīng)該會(huì)需要使用到這樣的建模仿真工具來對(duì)構(gòu)建數(shù)字模型，然后仿真以實(shí)現(xiàn)最佳的工藝或策略的預(yù)先測(cè)試與驗(yàn)證，后來想了想很多我們的制造業(yè)其實(shí)都是“拷貝”的，當(dāng)然了，必須承認(rèn)這是一個(gè)過程，我相信日本人、德國(guó)人都會(huì)經(jīng)歷這個(gè)過程，但是，在一個(gè)真正具有競(jìng)爭(zhēng)力的企業(yè)、一個(gè)自主自強(qiáng)創(chuàng)新贏得全球競(jìng)爭(zhēng)力的國(guó)家而言，必須是要有自己的創(chuàng)新的—?jiǎng)?chuàng)新有豐厚的回報(bào)，就像今天我們?cè)谛酒I(lǐng)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(fèi)，而使得我們產(chǎn)品更具全球競(jìng)爭(zhēng)力。

 

1.2數(shù)字孿生的流行

今年漢諾威展上，我的朋友史揚(yáng)在展館參觀時(shí)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(duì)此也不甚了解，因此，前天晚上與趙敏老師進(jìn)行了溝通確認(rèn)我的想法，因?yàn)閷?shí)際上在我們的應(yīng)用項(xiàng)目中已經(jīng)有很多采用這種方式進(jìn)行機(jī)電裝備的開發(fā)，例如：機(jī)器人慣量前饋、印刷套色、液壓傳動(dòng)、防搖、動(dòng)態(tài)定位等系統(tǒng)。想與趙敏老師對(duì)數(shù)字孿生的邊界進(jìn)行了解，得到了趙敏老師非常專業(yè)的指點(diǎn)。

 

1.3創(chuàng)新的過程與方法

趙敏老師給了我些啟發(fā)，一個(gè)機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jí)的規(guī)劃、子系統(tǒng)的規(guī)劃、定義目標(biāo)，我們要干什么？例如：所謂的車，把人或物從一個(gè)地方運(yùn)到另一個(gè)地方—這就是目標(biāo)功能，然后是用什么方法的選擇，例如采用發(fā)動(dòng)機(jī)，也可以是電動(dòng)方式（選擇什么技術(shù)方向這取決于技術(shù)成熟度與經(jīng)濟(jì)性）,如果采用燃油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，然后再去具體設(shè)計(jì)機(jī)械構(gòu)造，電氣系統(tǒng)、感測(cè)系統(tǒng)，這里可以通過數(shù)字方法進(jìn)行仿真驗(yàn)證，再到硬件系統(tǒng)上去測(cè)試反饋，進(jìn)行集成測(cè)試等，這是典型的V-Model開發(fā)，機(jī)電開發(fā)的方法有很多，V-Model是比較常用適用于機(jī)器與系統(tǒng)開發(fā)的。

 

圖1 V-Model開發(fā)過程

如果你是一個(gè)這樣的流程，你就類似于“不忘初心“的方式設(shè)計(jì)，那么你對(duì)目標(biāo)、原理、方法、構(gòu)成是非常清楚的，對(duì)于系統(tǒng)的運(yùn)行、維護(hù)、升級(jí)也是能夠持續(xù)的，而如果僅僅是抄襲的那么就會(huì)造成：

（1）.知其然，不知其所以然，那么你會(huì)無法達(dá)到最佳的效果，你永遠(yuǎn)和別人的機(jī)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(chǎng)的問題，僅僅靠各種運(yùn)氣的方式去測(cè)試；

（3）.花費(fèi)非常久的時(shí)間卻無法達(dá)到高的運(yùn)行狀態(tài)，導(dǎo)致機(jī)器無法成為你競(jìng)爭(zhēng)力；

 

2.Digital Twin潮流

建模仿真在機(jī)器設(shè)計(jì)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(jī)器設(shè)計(jì)一蹴而就的，必須通過大量的測(cè)試實(shí)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(shè)計(jì)階段即提供了強(qiáng)大的支撐，而在運(yùn)行階段也有諸多軟件提供仿真、分析，在維護(hù)階段也有各種軟件，而到了智能制造時(shí)代，一切的數(shù)字化使得產(chǎn)生了Digital Twin的概念-這個(gè)概念是奠定在數(shù)字設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)營(yíng)維護(hù)的全生命周期的總稱。

 

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

圖2與圖3是來自德勤大學(xué)對(duì)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(gòu)（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(gè)世界，在物理的世界里的工作包括了物理的對(duì)象如機(jī)傳感器、執(zhí)行器、機(jī)器、控制器等實(shí)體對(duì)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(gòu)成。

這里又要回到智能制造所談及的“個(gè)性化生產(chǎn)”，因?yàn)閭€(gè)性化生產(chǎn)會(huì)帶來巨大的挑戰(zhàn)：

開機(jī)/換裝會(huì)造成浪費(fèi)在個(gè)性化生產(chǎn)中會(huì)被放大；

面對(duì)新的加工對(duì)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(gè)虛擬的世界中，以不消耗實(shí)體原材料、機(jī)器與機(jī)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(jìn)行仿真，并達(dá)到與現(xiàn)實(shí)物理實(shí)體理想的狀態(tài)再下載到物理設(shè)備上執(zhí)行，這樣可以大量降低原材料的成本、避免危險(xiǎn)的發(fā)生，并確保設(shè)備間的高度協(xié)同，使得生產(chǎn)達(dá)到最佳的狀態(tài)。

 

3.Digital Twins在機(jī)電設(shè)備研發(fā)中的應(yīng)用

數(shù)字孿生的應(yīng)用場(chǎng)景比較大，包括了在前期的生產(chǎn)設(shè)計(jì)、造型、工藝輔助，以及生產(chǎn)制造、維護(hù)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(jī)器開發(fā)中的數(shù)字孿生做一些分析。

記得去年一個(gè)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(shí)那個(gè)時(shí)候我對(duì)FMU和FMI還沒有概念。

 

 

圖4-機(jī)電設(shè)計(jì)中的數(shù)字孿生的架構(gòu)

圖4是一個(gè)機(jī)器設(shè)計(jì)的場(chǎng)景，這里我們可以看到V-Model的系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jiǎn)單介紹如下：

3.1FMI之產(chǎn)生背景

圖5-FMI產(chǎn)生的背景

對(duì)于機(jī)電系統(tǒng)的開發(fā)而言，可能會(huì)使用到多個(gè)供應(yīng)商的不同工具，而FMI-Functional Mock-upInterface則是以實(shí)現(xiàn)模型交換與動(dòng)態(tài)協(xié)同仿真而開發(fā)的，F(xiàn)MI這個(gè)詞翻譯就是“功能打樣接口”—即在數(shù)字環(huán)境中對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行“打樣”來自于各種生產(chǎn)場(chǎng)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(shè)計(jì)，包括了機(jī)械、液壓、電控、安全、塑料、懸掛等多個(gè)系統(tǒng)，而其設(shè)計(jì)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(jìn)行集成，并在控制器以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)（發(fā)動(dòng)機(jī)等）上執(zhí)行，并給予反饋，實(shí)現(xiàn)硬件在環(huán)、軟件在環(huán)等測(cè)試，而不同的軟件應(yīng)該有一個(gè)統(tǒng)一的接口，這就相當(dāng)于OPC UA為不同的廠商設(shè)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(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)的模型組件，一個(gè)FMU由XML格式的描述文件和C或二進(jìn)制代碼構(gòu)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(gè)實(shí)現(xiàn)功能打樣FMU的接口標(biāo)準(zhǔn)。

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(dòng)、機(jī)電對(duì)象可以相互實(shí)現(xiàn)接口，這個(gè)為了Co-Simulation-多態(tài)的調(diào)試問題，而這個(gè)接口是基于XML的標(biāo)準(zhǔn)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(gòu)成，而模型描述則采用XML模式進(jìn)行規(guī)范定義，屬性、類型、缺省、供應(yīng)商、模型變量等內(nèi)容。

圖8則顯示了幾個(gè)不同的設(shè)計(jì)單元通過FMU/FMI來實(shí)現(xiàn)模型交互以及聯(lián)合調(diào)試。

圖8-通過FMU/FMI實(shí)現(xiàn)模型交互與協(xié)同仿真

也即，通過FMU/FMI，對(duì)于機(jī)電一體化裝備設(shè)計(jì)的企業(yè)而言，可以實(shí)現(xiàn)基于多個(gè)對(duì)象的建模仿真，并進(jìn)行聯(lián)合仿真生成機(jī)器的機(jī)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(duì)于機(jī)電設(shè)計(jì)的幫助

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

 

圖9是VDMA關(guān)于數(shù)字孿生介紹中應(yīng)用場(chǎng)景的分析，從VDMA的研究可以看到，Digital Twin在虛擬調(diào)試、結(jié)構(gòu)、流程、運(yùn)動(dòng)學(xué)軌跡、機(jī)電一體化對(duì)象、制造過程（排產(chǎn)、策略）等是建模仿真的主要應(yīng)用場(chǎng)景，也是增長(zhǎng)最快的場(chǎng)景。

 

3.3.1.虛擬調(diào)試

虛擬調(diào)試是最直接的應(yīng)用，在很多機(jī)器的開發(fā)過程中，傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)都是先設(shè)計(jì)出機(jī)器的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并加工組裝為一臺(tái)機(jī)器，開發(fā)了電氣系統(tǒng)程序，然后聯(lián)調(diào)，帶負(fù)載進(jìn)行測(cè)試，這個(gè)過程往往要消耗大量的時(shí)間在調(diào)校機(jī)械，并且消耗大量的原材料進(jìn)行實(shí)際的物理測(cè)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(shí)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(jié)果來在線優(yōu)化參數(shù)，實(shí)現(xiàn)最佳的調(diào)試。

 

圖10-貝加萊建模仿真開發(fā)實(shí)現(xiàn)

 

可以節(jié)省大量的材料測(cè)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(dòng)化、機(jī)器、過程與工廠級(jí)的全面仿真，由于有FMU/FMI統(tǒng)一的接口，各個(gè)仿真軟件的結(jié)果可以互相交互，進(jìn)而能夠?yàn)檎w的協(xié)調(diào)奠定基礎(chǔ)。

圖11-貝加萊提供從硬件、機(jī)器到工廠不同層級(jí)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(jí)的WinMOD、ISG、IndustrialPhysics都可以建立接口連接，通過FMU/FMI可以實(shí)現(xiàn)與不同的建模仿真軟件進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，并將代碼直接到PLC上運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)硬件在環(huán)的測(cè)試。

我們所說的Digital Twin就是如何在虛擬與物理對(duì)象間進(jìn)行協(xié)同，通過硬件在環(huán)Hardware in the Loop來實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬控制參數(shù)的優(yōu)化，包括了控制器、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制，也包括了最新的SuperTrak這樣的對(duì)象。

圖12-SuperTak可以實(shí)現(xiàn)建模仿真，與機(jī)器人配合進(jìn)行生產(chǎn)

圖12顯示建模仿真可以對(duì)生產(chǎn)的組織進(jìn)行仿真，對(duì)不同的尺寸規(guī)格的瓶子的灌裝過程，機(jī)器人旋蓋與輸送系統(tǒng)之間可以進(jìn)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(fù)用的組件模型開發(fā)

對(duì)于長(zhǎng)期的機(jī)器開發(fā)而言，建模仿真還可以實(shí)現(xiàn)專用的機(jī)電一體化對(duì)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(fù)用的通用組件-Components Based Development，這是在軟件工程中的復(fù)用與組件技術(shù)，如圖13可以針對(duì)注塑機(jī)對(duì)象開發(fā)諸如mapp的射膠、熔膠、同步、開合模等應(yīng)用對(duì)象，可以使得其適應(yīng)于多種材料、加工工藝，使得機(jī)器具有強(qiáng)自適應(yīng)性，并能夠快速開發(fā)機(jī)器的整體應(yīng)用。

圖13-注塑機(jī)機(jī)電對(duì)象

 

 

圖14-為復(fù)用而開發(fā)的mapp機(jī)電模塊

鑒于數(shù)字孿生在機(jī)器設(shè)計(jì)中有非常多的好處，篇幅不宜過長(zhǎng)，今后可以慢慢寫，畢竟，技術(shù)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?yàn)?，在很多時(shí)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(jī)理分析、建模等過程是無法真正實(shí)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(shí)地，總是希望走一條捷徑，例如：我們想走電動(dòng)汽車，因?yàn)橛X得燃油車這個(gè)方向似乎已經(jīng)被德國(guó)人、日本人給發(fā)揮到極致了，然后我們?nèi)グl(fā)展電動(dòng)汽車，但是，我們發(fā)展電動(dòng)汽車卻就是買來各種東西組裝，有騙補(bǔ)的，這剛剛說到比亞迪的業(yè)績(jī)因?yàn)檠a(bǔ)貼退出而極大的下滑。

 

彎道超車-是非常困難的，因?yàn)?，你得有更好的駕駛能力，你的駕駛能力都不強(qiáng)，如何彎道超車？F1賽車在過彎的時(shí)候速度都能達(dá)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(shù)能比舒馬赫更嫻熟嗎？

 

有人提出“換道超車”--這對(duì)于Innovation的能力要求更高，如果連基礎(chǔ)的全局設(shè)計(jì)思想都沒有，工具都不會(huì)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(xué)-知行合一，我覺得趙敏老師這個(gè)比喻非常恰當(dāng)，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(shí)處即為行，行之明覺精察處即為知”，也就是說，理論指導(dǎo)實(shí)踐，實(shí)踐反饋又來優(yōu)化理論，兩者之間為一體，均服務(wù)于“致良知”—你可以理解為這個(gè)良知，即為“本心”—?jiǎng)?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(duì)數(shù)字時(shí)代，需要更多的軟件的協(xié)同開發(fā)，那么，就會(huì)需要按照數(shù)字時(shí)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?yàn)?，?dāng)你走在正確的道路上，中國(guó)的優(yōu)勢(shì)才能發(fā)揮出來，因?yàn)槿澜缫矝]有像中國(guó)這樣的優(yōu)秀條件，那么大的市場(chǎng)讓你可以測(cè)試驗(yàn)證你的產(chǎn)品，國(guó)家給了那么多的政策鼓勵(lì)，資金的支持。

術(shù)業(yè)有專攻、工欲善其事，必先利其器—Digital Twin是一個(gè)可以讓我們真正實(shí)現(xiàn)彎道超車的時(shí)代—Mcrazy在上周和我聊到這個(gè)話題時(shí)如是說。

 

5.應(yīng)用案例：

基于建模仿真的岸橋防搖系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖15-基于建模仿真的防搖系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在集裝箱吊裝過程中，岸橋的鋼繩會(huì)因鐘擺效應(yīng)而產(chǎn)生搖擺，這個(gè)搖擺會(huì)使得集裝箱定位到貨車上或堆放花費(fèi)更多的時(shí)間，如果能夠讓其時(shí)間縮短—通過抑制擺動(dòng)，那么，對(duì)于大型集裝箱船可以裝載18000個(gè)標(biāo)準(zhǔn)箱的規(guī)模的港口吊裝過程而言，如果能夠?yàn)槊總€(gè)吊裝過程節(jié)省10-20%的時(shí)間，那么它會(huì)讓一個(gè)港口每年的吞吐能力大幅提高，進(jìn)而帶來貿(mào)易額的增長(zhǎng)。

 

圖15是基于Automation Studio與Simulink仿真而設(shè)計(jì)的防搖算法，通過對(duì)岸橋的吊裝過程中的機(jī)械尺寸規(guī)格、受力模型、牽引運(yùn)動(dòng)、速度位置反饋等納入仿真，進(jìn)而對(duì)如何抑制擺動(dòng)產(chǎn)生控制的驅(qū)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而降低擺動(dòng)和達(dá)到快速的定位。

 

相較于傳統(tǒng)的防搖系統(tǒng)，這個(gè)最先進(jìn)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(shí)現(xiàn)，并且，這樣的模型可以同樣被應(yīng)用于鋼廠的天車系統(tǒng)、大型履帶吊的吊裝搖擺抑制。