21世紀制造業(yè)的建模與仿真技術(shù)

1、V?1884?系統(tǒng)仿真學報JOURNAL OF SYSTEM SIMULATIONol. 16 No. 9Sept. 2004VV21世紀制造業(yè)的建模與仿真技術(shù)熊光楞，范文慧(清華大學自動化系，100084)摘 要：建模與仿真技術(shù)是21世紀信息技術(shù)和制造技術(shù)結(jié)合的橋梁，是使企業(yè)產(chǎn)生最大經(jīng)濟效益的核心 技術(shù)，也是21世紀制造業(yè)的一項關(guān)鍵支撐技術(shù)。闡述了建模與仿真技術(shù)在制造業(yè)的地位和作用，總結(jié)了 21世紀建模與仿真技術(shù)的特點，給岀了制造業(yè)建模與仿真技術(shù)的方展方向。關(guān)鍵詞：建模；仿真；制造業(yè)文章編號：1004-731X (2004) 09-1884-03 中圖分類號：TP391.9文獻標識碼：Bst

2、Modeli ng and simulati on of manu facturi ng in the 21 cen turyXIONG Gua ng-le ng, FAN Wen-hui(Department of automation, Tsinghua University, Beijing,100084)Abstract: Modeling and simulation in the 2# century is the bridge across information technology and manufacturing technology. It is the core te

3、chnology making enterprise obtain the greatest profit and the key technology in manufacturing. Its function in manufacturing is expatiated, its features are summarized and its development is proposed.Keywords : modeling； simulation； manufacturingVV1制造業(yè)建模與仿真技術(shù)的地位制造業(yè)是國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，是國家綜合國 力的重要體現(xiàn)；21世紀的

4、制造業(yè)仍然是國家經(jīng)濟和國防建設(shè)的 命脈，也是國家經(jīng)濟實現(xiàn)快速增長的重要因素。制造業(yè)是所有 與制造有關(guān)的企業(yè)機構(gòu)的總體，是國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，它一 方面創(chuàng)造價值，生產(chǎn)物質(zhì)財富和新的知識，另一方面為國民經(jīng) 濟各個部門包括國防和科學技術(shù)的進步與發(fā)展提供先進的手段 和裝備現(xiàn)代制造的基本特點是大制造和全過程【2】。大制造” 應包括光機電產(chǎn)品的制造、工業(yè)流程制造、材料制備等，它是 一種廣義制造概念。全過程”，不僅包括從毛坯到成品的加工制造過程，還包括產(chǎn)品的市場信息分析，產(chǎn)品決策，產(chǎn)品的設(shè) 計、加工和制造過程，產(chǎn)品的銷售和售后服務，報廢產(chǎn)品的處 理和回收，以至產(chǎn)品的全壽命過程的設(shè)計、制造和管理。由于國內(nèi)外市

5、場競爭的加劇，科學技術(shù)發(fā)展迅速，產(chǎn)品更 新?lián)Q代速度加快及人們對產(chǎn)品多樣化的需求增加，先后出現(xiàn)了 柔性制造，計算機集成制造、并行工程、虛擬制造、敏捷制造、 網(wǎng)絡化制造、現(xiàn)代集成制造、下一代制造、綜合制造等新的先 進制造理念和哲理。但是，從整體來看，制造業(yè)的發(fā)展離不開 先進的信息與知識技術(shù)、全面的建模與仿真技術(shù)、精密的工藝 與裝備技術(shù)和高效的企業(yè)集成技術(shù)共四大關(guān)鍵技術(shù) 【3-4【5】。建模與仿真作為一種重要手段，通常可以滲透到先進制造 當中去，并幫助先進制造實現(xiàn)集成，從而促進一些先進制造技 術(shù)的發(fā)展。建模與仿真(M&S)技術(shù)在改進產(chǎn)品和過程，縮短收稿日期：2004-07-18作者簡介：熊光

6、楞(1936-),男，上海人，教授，研究方向為控制理論與控制 工程、制造系統(tǒng)仿真與集成，并行工程，調(diào)度及協(xié)同工作理論等；市場響應時間，以及降低產(chǎn)品實現(xiàn)的成本方面，具有其它技術(shù) 無法比擬的重要作用。2制造業(yè)建模與仿真技術(shù)的作用縮短研發(fā)時間和成本是建模與仿真技術(shù)給制造業(yè)帶來的最 直接的效果。建模與仿真技術(shù)能通過現(xiàn)有的知識對產(chǎn)品實現(xiàn)過 程作岀可靠的預測，大大促進了產(chǎn)品設(shè)計、過程設(shè)計、過程運 行，甚至企業(yè)管理水平的提高。擺脫了以往設(shè)計-物理試驗- 修改的產(chǎn)品開發(fā)過程，在產(chǎn)品設(shè)計階段利用建模與仿真工具在 虛擬環(huán)境下優(yōu)化產(chǎn)品和過程設(shè)計，大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降 低開發(fā)成本。例如，在飛機工業(yè)中，美國的波音公

7、司利用建模 與仿真工具，完全利用三維建模技術(shù)進行設(shè)計的波音777賁氣式 客機，設(shè)計使用了數(shù)字化預裝配和并行協(xié)同工程技術(shù)，無須建 立物理樣機模型，大大減少了設(shè)計更改和錯誤量，確保了產(chǎn)品 質(zhì)量，顯著降低了成本，縮短了研發(fā)時間。根據(jù)美國科學研究院工程技術(shù)委員會的測算【6】,建模與仿 真技術(shù)可提高產(chǎn)品質(zhì)量515倍，增加材料出品率25 % ,降低 工程技術(shù)成本13 %30 %降低人工成本5 %20 %提高投入 設(shè)備利用率30 %60 %，縮短產(chǎn)品設(shè)計和試制周期30 %60 % 等。3制造業(yè)的建模與仿真技術(shù)的特點從產(chǎn)品本身和企業(yè)運營管理來看，21世紀的建模與仿真技 術(shù)可以概括為“全設(shè)計過程”、“全加工過程

8、”和“全運營管 理”的三個全面的特點。3.1全設(shè)計過程產(chǎn)品模型將與所有相關(guān)的制造信息及企業(yè)信息動態(tài)相連、V熊光楞，等：21世紀制造業(yè)的建模與仿真技術(shù)? 1885 ?Vol. 16 No. 9Sept. 2004熊光楞，等：21世紀制造業(yè)的建模與仿真技術(shù)? 1885 ?熊光楞，等：21世紀制造業(yè)的建模與仿真技術(shù)? 1885 ?覆蓋產(chǎn)品整個生命周期、跨越從微觀到宏觀各級粒度等。物理 模型之間可以進行完全的互操作，對性能設(shè)計進行多元分析， 形成協(xié)同建模和仿真?！叭O(shè)計過程”的建模與仿真不僅包括產(chǎn) 品幾何、靜態(tài)、動態(tài)和產(chǎn)品的可制造、可裝配等特性的建模與 分析，而且為了減少產(chǎn)品開發(fā)時間，降低開發(fā)成本，將

9、各種建模與 仿真集成起來。3.2全加工過程加工過程建模與仿真是構(gòu)建加工實時運行時的具有運動和 動力特征的仿真模型，通過模型試驗可直觀地觀察加工過程及 其物理特性如切削軌跡、切屑形成過程、應力場、溫度場、變 形和振動等連續(xù)或瞬間的運動形態(tài)和特性參數(shù)。建模與仿真技 術(shù)可以通過描述某些材料加工工藝過程的數(shù)理模型及對數(shù)理方 程的簡化求解，動態(tài)顯示該工藝過程并預測過程的結(jié)果?！叭?加工過程”的建模與仿真強調(diào)加工過程的多學科集成建模與仿 真，建立變形場、溫度場、組織場耦合的材料加工仿真系統(tǒng)， 實現(xiàn)加工過程建模與仿真系統(tǒng)同生產(chǎn)系統(tǒng)集成，實時修復故障， 響應變化，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動調(diào)整，提高適應性。3.3全運

10、營管理企業(yè)總體模型是將所有的企業(yè)部門和業(yè)務過程集成到一 起，并根據(jù)業(yè)務活動變化作岀快速的響應，設(shè)計及加工模型自 動集成到企業(yè)信息系統(tǒng)中，實現(xiàn)所有系統(tǒng)和過程之間能進行毫 無阻礙的互操作?！叭\營管理”的建模與仿真技術(shù)包括根據(jù)企 業(yè)實時數(shù)據(jù)建立的戰(zhàn)略決策模型、市場評估模型、風險評估模 型、風險回避模型、預測性成本模型等；包括建立全企業(yè)的資 源模型、資源管理模型、知識管理模型和供應鏈模型等。它的 最終目標就是使活動的企業(yè)模型成為一個企業(yè)控制器，可以控 制企業(yè)各項功能，實時監(jiān)控運行情況，掌握每一步運行狀態(tài)。4制造業(yè)建模與仿真技術(shù)的發(fā)展方向21世紀制造業(yè)的建模與仿真技術(shù)的應用范圍已經(jīng)擴大到產(chǎn) 品的全生命

11、周期、覆蓋了企業(yè)全部的運營管理。因此，多尺度、 多領(lǐng)域、智能化、集成化的建模與仿真技術(shù)是未來極其重要的 發(fā)展方向。4.1多尺度連續(xù)建模與仿真技術(shù)目前的設(shè)計、加工、管理建模與仿真的一個主要缺陷是針 對某些特定的參數(shù)建立的，而不適用于更大范圍。21世紀的建模與仿真將沒有大小的限制，凡在可控范圍內(nèi)都可建模，達到 從微觀到宏觀的連續(xù)體建模，并且模型仍然保持精確性。在國 外，多尺度建模與仿真技術(shù)已在汽車及航天工業(yè)中得到應用。例如，金屬在高溫下的塑性成形是一個復雜的熱力學過程, 成形過程不僅應力應變分布不均勻，并受溫度和組織的不均勻 性、硬化和再結(jié)晶、應變速率等許多因素的影響，產(chǎn)品質(zhì)量除形 狀和尺寸精度要

12、求外，主要取決于鍛件的內(nèi)部質(zhì)量和性能，這 就必然受到冶金和物理化學過程的影響 &7。因此，金屬材料 加工仿真是一個從微觀到宏觀多機制綜合作用的過程，首先必須 通過實驗，有效地建立晶粒組織變化的數(shù)學模型，然后將變形 場、溫度場和組織場耦合計算。多尺度連續(xù)建模與仿真技術(shù)利用計算機工具，逼真地描述 產(chǎn)品各個方面的相關(guān)內(nèi)容，包括從產(chǎn)品材料結(jié)構(gòu)的分子組成情 況，直至產(chǎn)品在制造過程和實際使用中的性能和相互作用等。 所有這些模型能夠集成起來，共同構(gòu)建覆蓋整個企業(yè)的宏觀模 型。4.2多領(lǐng)域協(xié)同建模與仿真技術(shù)R. Maghnouj認為，協(xié)同是一個共享創(chuàng)造力的過程：兩個或 多個技術(shù)上互補的設(shè)計者通過相互交

13、流來產(chǎn)生一個共同的成 果，這個成果僅靠個人是無法完成的【8】。這個結(jié)論同樣可以引 申到仿真領(lǐng)域。隨著待研究系統(tǒng)復雜性日益增加，其內(nèi)部涉及 到的學科知識也越來越多，學科間的約束與耦合關(guān)系也越來越 難以解釋?，F(xiàn)在的仿真工具可以很好的解決單領(lǐng)域問題，卻缺 乏對涉及領(lǐng)域間交互的復雜仿真問題的支持，仿真應用之間的 協(xié)同需求日益強烈。岀于簡單的仿真互操作需求，目前已經(jīng)岀 現(xiàn)了 DIS、ALSP、HLA等協(xié)同仿真的技術(shù)和規(guī)范，但總的來看， 目前關(guān)于協(xié)同仿真方面的研究還很欠缺，已有的各種規(guī)范對協(xié) 同的要求都比較嚴格，剛性過大柔性不足?；谛枨蟮臓恳?， 在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，將會岀現(xiàn)更加完善的仿真開放互聯(lián)的標 準

14、，以支持仿真應用之間的協(xié)同，共同完成復雜的仿真任務?，F(xiàn)實世界中的復雜產(chǎn)品通常都是多領(lǐng)域的，一般是由不同 的工具設(shè)計岀來的屬于不同領(lǐng)域的多個分系統(tǒng)組成。雖然現(xiàn)有 的仿真工具可以有效輔助產(chǎn)品某個功能單元的設(shè)計開發(fā)，能夠 很好地解決大部分單領(lǐng)域的分析評估問題，但對于涉及到多領(lǐng) 域知識的復雜系統(tǒng)（整個產(chǎn)品或其某個復雜子系統(tǒng)）仿真支持 不夠。隨著產(chǎn)品規(guī)模和復雜程度的不斷增長，產(chǎn)品設(shè)計過程中 涉及到的學科領(lǐng)域越來越多，分系統(tǒng)間的關(guān)系也越來越復雜， 僅靠傳統(tǒng)的單領(lǐng)域仿真已經(jīng)很難滿足對整個產(chǎn)品或其某個復雜 子系統(tǒng)的功能/行為分析，仿真工具之間相互協(xié)同的需求開始逐 漸變得強烈。多領(lǐng)域協(xié)同仿真技術(shù)將面向不同學科領(lǐng)

15、域的仿真工具結(jié)合 起來共同構(gòu)成一個統(tǒng)一的仿真系統(tǒng)，進行針對整個系統(tǒng)的仿真， 可以充分發(fā)揮仿真工具各自的優(yōu)勢，同時還可以加強不同領(lǐng)域 開發(fā)人員之間的協(xié)調(diào)與合作。協(xié)同仿真技術(shù)充分發(fā)揮了多領(lǐng)域 仿真工具的優(yōu)勢，體現(xiàn)了不同分系統(tǒng)間的聯(lián)系，相對于單領(lǐng)域 仿真方式更具有系統(tǒng)性和合理性，仿真結(jié)果的置信度也更高。 協(xié)同仿真不需要拆散一個系統(tǒng)，使其全貌得以保持；使得對系 統(tǒng)的分析、設(shè)計和評價過程盡可能地接近人們認識系統(tǒng)的方法 和習慣；使得分析、設(shè)計、實現(xiàn)系統(tǒng)地方法學原理與人們認識 客觀世界的過程盡可能一致。協(xié)同仿真技術(shù)的岀現(xiàn)和發(fā)展，將 會對復雜產(chǎn)品的設(shè)計過程提供更加強大的支持，從而促進產(chǎn)品 設(shè)計能力的提高。4.

16、3智能化自學習建模與仿真技術(shù)雖然建模與仿真技術(shù)已經(jīng)廣泛應用于各個領(lǐng)域，但是，現(xiàn)?1886?系統(tǒng)仿真學報Sept. 2004Vol. 16 No. 9?1886?系統(tǒng)仿真學報Sept. 2004?1886?系統(tǒng)仿真學報Sept. 2004有的仿真技術(shù)仍然還存在某些有待進一步研究與開發(fā) 。例如， 現(xiàn)在多數(shù)仿真模型主要采用數(shù)學模型，其描述能力有較大的局 限性；建立和驗證精確的、可信的仿真模型，需要消耗大量人 力、物力和時間等；基于數(shù)學模型的計算機數(shù)字仿真技術(shù)，主 要用近似的數(shù)值解法，缺少知識推理、邏輯判斷、學習訓練、 聯(lián)想識別等智能特性；仿真系統(tǒng)輸岀結(jié)果，一般不提供關(guān)于結(jié) 果的解釋，仿真模型的求解過

17、程通常對用戶是不通明的，不便 解釋如何獲得仿真結(jié)果，評估結(jié)果的可信度。為了解決這些問 題，需要在人工智能與仿真技術(shù)相結(jié)合。智能化自學習建模與仿真系統(tǒng)根據(jù)自己的目標和外界的需 求，通過與其它模型和企業(yè)知識倉庫相連接，能夠基于一定的 規(guī)則不斷改善自己。例如，在系統(tǒng)實時與各類信息(例如零件和 原料的可用性、車間生產(chǎn)能力、加工設(shè)備和單元的工作能力等) 系統(tǒng)相連接的基礎(chǔ)上，使產(chǎn)品模型不斷地對自身進行優(yōu)化，即 模型在環(huán)境適用性和可生產(chǎn)性等方面得到優(yōu)化。智能化自學習建模與仿真系統(tǒng)能夠在產(chǎn)品實現(xiàn)過程中的每 一階段向開發(fā)人員提供有力的幫助；同時，為了使模型盡可能 逼真地仿真現(xiàn)實世界，該系統(tǒng)盡可能吸收模型用戶的知

18、識和經(jīng) 驗教訓，根據(jù)科學原理知識進行自學習和調(diào)整。因此，智能系 統(tǒng)可以幫助設(shè)計人員逐步克服障礙、避免發(fā)生錯誤和優(yōu)化設(shè)計 方案，極大地提高工作速度和質(zhì)量。4.4集成化企業(yè)級建模與仿真技術(shù)21世紀制造業(yè)的仿真模型需要實現(xiàn)全面無縫互操作1-2。仿 真模型應具有很好的兼容性、重用性和擴充性，不需要對仿真 模型進行修改，能夠通過自定義接口實現(xiàn)即插即用。當一個新 的模型要加入到系統(tǒng)中時，它不需人工協(xié)助就能與系統(tǒng)中所有 的其它的模型進行協(xié)商，有機地集成到系統(tǒng)中，實現(xiàn)模型的全 面無縫互操作性為了保持模型的準確性、為了實現(xiàn)模型的實時性和為了適 應業(yè)務的多變性，21世紀制造業(yè)的仿真模型將與企業(yè)信息系統(tǒng) 集成，實現(xiàn)

19、仿真模型與所有相關(guān)數(shù)據(jù)實時集成【低15。第一，在 完全虛擬的環(huán)境下對產(chǎn)品、過程和設(shè)備進行設(shè)計、優(yōu)化及驗證， 應用計算機和交互外設(shè)及軟件來構(gòu)建一個虛擬的企業(yè)生產(chǎn)環(huán) 境，使得參與者能如同在制造現(xiàn)場一樣，與計算機上岀現(xiàn)的制 造過程進行自由交流；第二，形成一種新的、更高級的人機界 面，使能在虛擬的對象進行仿真的過程中，可以直接以人類的 感知能力，如親臨其境一樣與虛擬的制造環(huán)境中的對象進行交 互作用。5結(jié)論21世紀制造業(yè)的建模與仿真技術(shù)的應用已經(jīng)從單一的系統(tǒng) 走向開放復雜的大系統(tǒng)，其應用范圍覆蓋從產(chǎn)品概念形成設(shè)計 到制造全過程的“全產(chǎn)品設(shè)計”、“全制造過程”、“全經(jīng)營 管理”，正在向著多尺度、多領(lǐng)域、智

20、能化、集成化的建模與 仿真方向發(fā)展。21世紀的建模與仿真(M &S)技術(shù)在改進產(chǎn)品 設(shè)計、加工和管理過程，縮短市場響應時間，以及降低產(chǎn)品實 現(xiàn)的成本方面，具有其它技術(shù)無法替代的重要作用，是21世紀先進制造領(lǐng)域必不可缺少的、將會被普遍深入應用的核心技術(shù)。參考文獻：1 張崢嶸，袁清珂.21世紀制造業(yè)的特點及其關(guān)鍵技術(shù)J.成組技術(shù)與生 產(chǎn)現(xiàn)代化，1998, (4): 3-5.2 雷源忠.現(xiàn)代制造科學的新發(fā)展J.中國機械工程，1999, (2).3 李勇，李成志等.制勝21世紀美國21世紀綜合制造技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略綜述R.北京先進柔性集成制造技術(shù)咨詢公司，2002, 01.4 the IMTR Roadmapping Project Team. An Overview of the IMTR RoadmapsZ. IMTI, Inc. 20Q0 7, 24.5 凌維業(yè)，芮執(zhí)元，楊萍.計算機仿真在制造業(yè)的應用與發(fā)展J.機械研究 與應用,2001,1: 26.6 柳百成.21世紀的材料成形加工技術(shù)J.