2016年12月1-2日，為期兩天的2016年（第十二屆）產品創新數字化國際峰會在長沙圓滿閉幕。本屆峰會以“智能制造時代的產品創新變革”為主題，由中國電子學會、中國機械工程學會、湖南省經濟和信息化委員會指導，e-works數字化企業網、長沙智能制造研究總院主辦，湖南省電子學會、湖南省機械工業協會、湖南省機械工程學會、中國汽車工程學會車身技術分會、湖南省軟件行業協會協辦。會上，ANSYS北區技術經理袁勇先生發表了主題為《數字化制造與數字雙胞胎》的演講。本文根據演講內容整理而成。
圖1 ANSYS北區技術經理袁勇
我們正處于快速改變的商業環境
這個時代充滿了變數，各種事物都在改變，唯一不變的就是變革。在現今的市場上，沒有一家公司能夠通過以相同的營銷和相同的利潤交付相同的產品而永久成功。這里有一組數據：從1955年存活至今的世界500強公司僅有61家；1955年，500強公司預期壽命：75年；2016年，500強公司預期壽命：15年；現實很殘酷，但好的一面就是有更多優秀公司不斷涌現。面對快速變革的環境，我們需要特殊的眼光來發現機會，需要極大的勇氣克服各種各樣的困難，也需要成熟的團隊來確保成功。要做到以上三點，創新和計算必不可少，創新激發活力，計算則可以驗證創新，因此大變革時代，對創新的要求和計算的需求越來越大。
創新的機會在哪里？
我們現在即將迎來第四次工業革命。第一次工業革命以蒸汽機的發明為標志，第二次以電的廣泛使用為標志，第三次則是計算機，未來就是工業4.0，整個以智能化為基礎的工業變革，工業4.0有很多特色，區別于前幾次工業革命。
- 互操作性：人和機器的相互連接、互動
- 信息透明度：創建物理世界的虛擬副本來研究整個真實物理世界
- 技術輔助：能夠幫助人類的機器
- 分散決策：可自主決策的網絡物理系統
工業4.0里有很多關鍵詞，像物聯網（IoT），大數據，增材制造，數字雙胞胎，云，仿真等等。仿真可以說是整個工業革命的基礎之一，扎根于每一個工業過程，來推動整個工業革命的進展。工業4.0預計未來15年為全球經濟增加14.2萬億美元，這就是創新的機會所在。
工程仿真如何進化，以幫助捕捉這些機會？
工業4.0里面有很多技術熱點，像機器人、工業物聯網、云、系統集成、仿真等等，這些技術都會相互影響，相互進行化學反應，催生出各種各樣新的技術、新的機會。其中，仿真技術一直在不斷變革、不斷進化，幫助我們各位工程師、各大企業來具備能夠抓住機會的能力。那么工程仿真如何進化，以幫助捕捉這些機會的呢？
類似工業革命，仿真也從開始的1.0，正進化到4.0。在1.0時代，對單獨物理場進行仿真，仿真目的主要是在設計階段進行一些驗證和確認。到了2.0時代，出現了多物理場仿真，但還是局限于在驗證和確認階段。后來仿真逐步擴展，貫穿了整個產品設計迭代過程，覆蓋了產品需求、系統設計、魯棒性設計、變更管理、驗證確認等環節，在這些環節里面都用仿真來解決問題，我們稱之為“仿真驅動研發（SDPD）”，這就是3.0時代，但這在整個產品生命周期里面仍處于設計階段。到了4.0時代，我們會把仿真與制造工藝和數字雙胞胎更緊密結合起來，把仿真推動到制造和運行階段，貫穿產品的整個生命周期。
圖2 工程仿真的進化
同時，仿真用戶的使用模式也在發生變化：
第一個重大的趨勢就是越來越多的工程師將會使用仿真技術，以前使用仿真的可能只是仿真工程師，我們有問題交給他們進行仿真驗證，但是現在越來越多的設計工程師也在做，包括CAD工程師也需要用到仿真，預計2020年所有工程師都會用上仿真。
圖3 仿真用戶越來越多
第二個重大趨勢：越來越多的企業會部署并使用高性能計算，執行更大規模的計算，仿真更多的場景。以前一臺計算機算不動，現在用多臺計算機一次就可以算各種各樣的場景，來模擬真實的世界。
第三個重大趨勢：除了具體的仿真驗證工作以外，還要進行更詳盡的分析，從部件到系統，以準確表征現實世界的物理模型。
這是仿真用戶的使用模式方面的變化，他們的需求推動了仿真軟件的變革。
ANSYS仿真平臺進化戰略
2015年ANSYS公司推出了AIM軟件產品——在沉浸式用戶環境中，可以實現多物理場仿真，使用非常簡便。今年8月份中國用戶大會上，做了一個嘗試，對所有沒有用過軟件的工程師進行半個小時的培訓后，他們就可以上手進行操作，完成實際的案例作業。AIM能夠提供結構仿真，流體仿真，熱仿真，還有電磁波仿真，在AIM軟件環境里，將多物理場仿真變得非常簡單。即使你從來沒有接觸過仿真，掌握AIM軟件也只需要很短的時間，AIM把仿真軟件使用難度進一步降低，軟件里內置了很多模板，并將很多工程經驗固化在里面，不需要懂算法以及求解的原理，只需要掌握軟件的基本操作。當然，AIM的功能還不像ANSYS Workbench那么強大和全面，因為其定位就是把仿真工作層次化，仿真專家用更專業強大的工具，他們解決復雜的問題，并定制一些仿真標準，而更多的人是用更簡便的工具，用專家的經驗解決設計中的一些問題，這就是AIM的價值所在，它把仿真擴展到整個設計里面每一個工程師，讓使用門檻進一步降低。
但ANSYS并不是簡單推出這樣一個軟件，我們也在進行仿真平臺的戰略化部署，我們有這樣一個很大的愿景，如圖4，橫軸代表整個產品的生命周期，縱軸代表我們所有的用戶，如今的仿真市場就是開發設計階段專門的CAE工程師使用仿真軟件，未來進一步擴展，擴展到制造階段，實現了完整的仿真驅動研發，一直涵蓋了從設計到運行整個生命周期，這依賴很多關鍵技術，比如機器學習，數字雙胞胎，也依賴于這個軟件能否更易用，有更多靈活的選項，甚至包括定制化的APP。在另一個維度，仿真將擴展到相關的所有工程師。
圖4 ANSYS戰略愿景
ANSYS具有非常全面的仿真產品，ANSYS現在覆蓋產品的五個仿真基礎學科：流體動力學，結構力學，電磁學，半導體、以及嵌入式軟件，在這基礎之上，進行多學科協同，一方面可以實現多物理場仿真，另一方面可以做整個系統的仿真。在ANSYS軟件架構下，可以實現從軟件到硬件，從芯片到整個執行機構完整的仿真分析，我們稱為全面仿真平臺。這個平臺目前已經實現了，我們覺得這還不夠，我們需要實現完整的工藝流程全面覆蓋，包括從需求分析，需求定義到整個功能的仿真。
圖5 最全面的仿真產品，可分析和優化完整系統的性能
現在有ANSYS專門的系統軟件SCADE System做功能和需求的分析和定義，然后再做行為級的仿真，此仿真依賴于需求分析得到的系統建模語言來進行一些初步仿真。有了這個仿真后，我們可以定義出具體的設計指標，進行電子電氣系統、三維物理結構、嵌入式軟件等具體子系統與部件的設計，之后把所有的部件進行虛擬裝配，實現完整的系統級虛擬原型，對整個系統進行虛擬的驗證和集成，這需要把所有的仿真結合起來。最后進行測試，將仿真與真實的部件去進行交互，從而實現了整個工藝流程全面覆蓋，這就是ANSYS基于模型的系統工程（MBSE，Model Based Systems Engineering）實現完整的仿真驅動產品研發（SDPD，Simulation Driven Product Development）的平臺。
圖6 ANSYS MBSE實現完整的SDPD
下一步要做的就是把這個平臺的開放性和定制化進一步擴展，連接仿真與整個工程的業務。因為各企業在應用的軟件不光是ANSYS，還有其他很多軟件，所以仿真平臺需要更多的開放性。ANSYS推出了一個APP商店，使用者可以在商店里在線購買APP，同時還有專門的定制化工具，開發者或使用者都可以把設計流程和設計經驗固化下來形成一個APP，把自動化進一步加強，輸入一個參數后面就可以得到很多想要的結果，把十幾步的操作用一個按鈕代替，進而可以把企業的設計經驗變成可以推廣的一個程序去推廣，掛在APP商店上進行分享或者銷售。另外平臺的開放性指的是和第三方工具，和外部數據有很多互通接口，另外和整個業務流程，像需求管理（RM，Requirement Management），服務生命周期管理（SLM，Service Lifecycle Management），產品生命周期管理（PLM，Product Lifecycle Management）、應用生命周期管理（ALM, application lifecycle management）等等進行結合，形成整個業務流程的完整環境。
圖7 ANSYS仿真平臺：開放和可持續的架構，適應工程需求和IT戰略
ANSYS仿真平臺可以廣泛應用于設計的方方面面，幫助我們實現更好更快的創新。第一，可以進行全方位的仿真，系統&多物理場仿真和數字雙胞胎&大數據的仿真，第二，這是一種可伸縮的解決方案，從桌面用戶到云端、私有云、以及公有云，還包括了從流程管理，數據管理在內的仿真。第三，這是一個可擴展的生態系統，我們有很多合作伙伴網絡，還有客戶群以及定制化APP。通過這個平臺，可以定制和自動化專屬的工作流程，包括定制化的工作流程以及新上線的APP商店。目前已經超過300個APP，大家可以到我們網站上去查看，下載和使用。
圖8 ANSYS仿真平臺：最廣泛采用的仿真平臺，助力更好、更快地創新
仿真進化推動工業革命
我們希望仿真領域的變革能夠推動工業革命的發展，幫助企業進行創新。在這個變革的時代，制造卓越產品的要求正在推動大規模定制，并要求大大縮短開發周期，現在的產品可能只需要少量的定制，未來產品將需要超大規模的定制，需要針對特殊的用戶進行專門設計。面對這樣的需求，仿真不再是一個優勢，而是基本必備的條件，會覆蓋到整個設計流程里面。
以復合材料為例，加工制造是用增材制造（俗稱3D打印）還是傳統方式，有很多需要研究，因為它的應用場景不一樣，對性能的要求就不一樣，我們希望針對不同應用場景專門進行設計，達到更好的付出和收益比，針對復合材料，ANSYS平臺可以從成型、注入、固化，結構分析等進行全方位，多尺度的仿真。
圖9 示例：復合材料制造中的3D物理仿真
大數據是一個非常熱的話題，ANSYS現在正在做的一個產品叫做SeaScape，將大數據和仿真的力量結合在一起，用于IC的設計分析和優化，可以十倍地降低周轉時間，對整個晶圓進行優化，進一步降低生產的成本。
圖10 大數據和仿真的力量結合
數字雙胞胎將是一個非常重要的概念，數字雙胞胎的基本原理是現實世界里面的物理原型，希望在虛擬世界里面有一個虛擬原型，就像漫畫里面經常說的平行宇宙一樣，存在于另外一個空間，它是虛擬的，但是可以通過工業物聯網，通過云，與實際產品相互交互數據，來實現更好的分析與洞察，GE在這方面走在了時代的前列，他們把整個業務的重點放到了工業物聯網領域，這是未來重要的技術方向。
利用數字雙胞胎如何改變設計呢？傳統機械智能化后就能夠獲取很多數據，主要是通過部署在上面的傳感器，傳感器得到這些數據可以傳送到IoT平臺，一旦發現有異常情況，會把數據反饋給數字雙胞胎，在仿真環境里進行一些虛擬試驗，仿真結果反饋給IoT平臺，然后再推送給智能機械告訴它下一步應該進行什么樣的操作。
圖11 ANSYS仿真平臺用于開發和操作智能與連接產品
GE的Predix平臺就是與ANSYS合作，這是一種基于工業物聯網云的平臺，它將每一個設備當前的狀態進行建模，進行基于物理的分析，使它存在于虛擬的環境里，需要的時候就可以從虛擬環境里面調出存在云端的數字雙胞胎。數字雙胞胎的實際應用從設計角度看，這是虛擬的；從運行角度看，它們之間是通過傳感器和工業物聯網進行數據交互和互連，進而提供運行決策和設計決策。
圖12 數字雙胞胎的實際應用
圖13所示為GE、PTC和ANSYS聯合做的一個Pump數字雙胞胎案例模型。PTC的ThingWorks工業物聯網平臺主要承擔大數據分析，歷史，出發，安全，互連等工作，ANSYS軟件可以提供三維物理場模型與軟件操作界面模擬，包含從系統到部件，從硬件到軟件完整的數字雙胞胎，在現實環境里面就是真實的Pump產品，上面集成了很多傳感器，它們之間可以通過工業物聯網平臺進行數據交互和互聯。數字雙胞胎的存在可以更好地洞察產品性能，為下一代設計奠定了很好的基礎。
圖13 PUMP案例
可以說仿真是幫助我們將“絕妙點子”轉化為“偉大產品”的重要手段，企業有許多聰明且積極的人才，這些人才能夠想出許多絕妙的點子，我們希望這些絕妙的點子可以變成創新性的產品和服務。在實際產品生產之前，仿真可以在虛擬世界中將想法培育并發展成熟，如果沒有仿真手段，有的想法將因為太困難或太昂貴而難以進行探索，擁有了仿真，意味著可以在概念階段就可以全方位徹底地探索好的想法。
本文根據ANSYS北區技術經理袁勇先生在第十二屆中國制造業產品創新數字化國際峰會的演講內容整理而成。已經本人確認。
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本文標題：仿真進化推動工業革命
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