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，仿真技術使得在復雜變化的制造現(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行建模仿真？

　　機器生產(chǎn)中的復雜變化

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

　?。?）材料的復雜性：在印刷中，紙張或薄膜都是數(shù)千種可能性，而在紡織機械領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，在灌裝領域，瓶子的材料、規(guī)格也是千變?nèi)f化。

　?。?）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(huán)錠紡等多種形式。

　　（3）流程的復雜性：生產(chǎn)的工序也隨著生產(chǎn)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。

　　圖1-機器的變化組合成千上萬

　　如圖1所示，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(fā)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(huán)節(jié)的投入，一個機器的研發(fā)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(wěn)定而可靠的，適應變化生產(chǎn)的能力。

　　建模仿真帶來哪些應用優(yōu)勢？

　　如果我們?nèi)鞒痰目创龣C器的開發(fā)，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？

　　圖2-基于V模式的開發(fā)

　　對于機器與系統(tǒng)的開發(fā)，V-Mode是普遍被應用的模式，在整個設計與開發(fā)階段，從概念到需求、功能規(guī)范、子系統(tǒng)設計再到實現(xiàn)，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(chǎn)品整個的研發(fā)過程，而這些過程中，真正需要耗費大量的成本的往往是測試驗證這些過程。

　　在傳統(tǒng)的機器設計中，這個環(huán)節(jié)往往需要按照嚴格的流程來進行，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)電氣控制與應用軟件和機械的并行開發(fā)。

　　圖3-并行工程

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

　?。?）虛擬調試縮短開發(fā)周期與降低成本

　　對材料的工藝特性、機械傳動、控制的聯(lián)合測試中，只有在虛擬環(huán)境中，對參數(shù)進行最優(yōu)的調整，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行驗證，才能更好的實現(xiàn)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(fā)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(fā)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(huán)境中進行。

　　（3）復用的組件開發(fā)

　　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(fā)各種控制模式下（閉環(huán)、開環(huán)、有跳舞輥、伺服電機調節(jié)等）的模型及其參數(shù)驗證，然后封裝為可復用的共性組件，在應用開發(fā)中，直接配置其模式、參數(shù)等，加速機器的配置，響應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產(chǎn)線變化至關重要。    

（2）AR/VR應用：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(shù)據(jù)驅動與模型驅動必須融合，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，學習到的新規(guī)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(xiàn)非常多的機器靈活設計和功能設計。

　　建模仿真是真正創(chuàng)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(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(chuàng)新，當在競爭中，做一些調整，尤其是現(xiàn)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(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”。

　　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

　　作為領先的自動化廠商，在建模仿真領域，在早期的控制系統(tǒng)設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接口可以一鍵導入到Automation Studio中進行硬件在環(huán)測試（Hardware In the Loop），在之后又與MapSim、IndustrailPhysics進行了合作，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（二進制）和描述（XML）可以被通過FMI下載到Automation Studio中進行測試。

　　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、控制與驅動系統(tǒng)的建模仿真，MapleSim則是針對機械的傳動控制、運動學、物理學（摩擦力、張力）等進行建模仿真，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、龍門吊等領域因為鐘擺效應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行物理的建模（吊裝的路徑尺寸、岸橋機械、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-變頻器的輸出進行算法設計和參數(shù)調校，使得獲得一個最佳的控制模型，然后下載到Automation Studio進行物理對象的虛擬調試，進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)過反復驗證后代碼封裝成一個軟件功能塊，供反復的使用，用戶根據(jù)自身的岸橋機械、功能需求進行配置這個模塊，即可生成整個應用程序，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)設計、軌跡信息預知、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。