建模與仿真技(jì)術(shù)從(cóng)嚴格意義上(shàng)說(shuō)，是(shì)兩個(gè)技(jì)術(shù)的(de)複合名詞，即建模技(jì)術(¶shù)與仿真技(jì)術(shù)。建模是(shì)仿真的(de)基礎，建模是(shì)為(wèi)了(le)能(néng)夠進行(xíng)仿真。仿真是(shì)建模的(de)延續，是(shì)₽進行(xíng)研究和(hé)分(fēn)析對(duì)象的(de)技(jì)術(shù)手段。

文(wén)章(zhāng)來(lái)源

本文(wén)改編自(zì)：《智能(néng)制(zhì)造概論》，已由清華大(dà)學出版社出版。作(zuò)者：中國(guó)工(gōng)程院李培根院士、華中科(kē)技(jì)₩大(dà)學高(gāo)亮(liàng)教授。

01建模與仿真技(jì)術(shù)的(de)定義

建模與仿真技(jì)術(shù)從(cóng)嚴格意義上(shàng)說(shuō)，是(shì)兩個(gè₹)技(jì)術(shù)的(de)複合名詞，即建模技(jì)術(shù)與仿真技(jì)術(shù)。建模是(shì)仿真的(de)基礎，建模÷是(shì)為(wèi)了(le)能(néng)夠進行(xíng)仿真。仿真是(shì)建模的(de)延續，是(shì)進行(xíng)研究和(hé)分(fēn)析對(duì)象的γ(de)技(jì)術(shù)手段。

具體(tǐ)到(dào)智能(néng)制(zhì)造中，建模技(jì)術(shù)是(shì)指，✘針對(duì)制(zhì)造中的(de)載體(tǐ)(如(rú)數(shù)控加工(gōng)機(jī)床、機(jī)器(qì)人(rén)等)、制(zhì)造過程(如(rú)加工(gōng)過程中λ的(de)力、熱(rè)、液等問(wèn)題)和(hé)被加工(gōng)對(duì)象(如(rú)被制(zhì)造的(de)汽車(chē)、飛(fēi)機(jī)、零部件(jiàn))，甚至®是(shì)智能(néng)車(chē)間(jiān)、智能(néng)調度過程中一(yī)切需要(yào)研究的(de)對(duì)象(≥實體(tǐ)對(duì)象或非實體(tǐ)化(huà)的(de)生(shēng)産過程等問(wèn)題)，應用(yòng)Ω機(jī)械、物(wù)理(lǐ)、力學、計(jì)算(suàn)機(jī)和(hé)數(shù)學等學科(kē)知(zhī)識，對(duì)研究對(d₹uì)象的(de)一(yī)種近(jìn)似表達。

仿真技(jì)術(shù)是(shì)在建模完成後，結合計(jì)算(suàn)機(jī)圖形學等計(jì)算(suàn)機(jī)科(kē)學手段，對(duλì)模型進行(xíng)圖像化(huà)、數(shù)值化(huà)、程序化(huà)等的(de)表達。借助仿真，可(kě)以看(kàn)到(dào)被建模對(duì)象的(de)¥虛拟形态。

02建模與仿真技(jì)術(shù)的(de)特點

從(cóng)需求本身(shēn)出發，建模與仿真技(jì)術(shù)表現(xiàn)出以下(xià)特點：

(1)虛拟化(huà)：虛拟化(huà)是(shì)建模與仿真技(jì)術(shù)的(de)最本質特點，利用(yòng)建模與仿真技(★jì)術(shù)可(kě)得(de)到(dào)被研究對(duì)象的(de)虛拟鏡像。

(2)數(shù)值化(huà)：數(shù)值化(huà)是(shì)建模與仿真技(jì)術(shù)的(de)必要(yào)特點，是(shì)仿真、計(×jì)算(suàn)、優化(huà)的(de)前提。

(3)可(kě)視(shì)化(huà)：可(kě)視(shì)化(huà)是(shì)建模與仿真技(jì)術(shù)的(d♦e)直觀特點，是(shì)建模與仿真技(jì)術(shù)人(rén)機(jī)交互與友(yǒu)好(hǎo)性的(de)體(tǐ)現(xiàn)。在智能(néng)制(z♦hì)造中，可(kě)視(shì)化(huà)幾乎是(shì)一(yī)切建模與仿真技(jì)術(shù)所共有(yǒu)的(de)特點和(hé)屬性。可(kě)視(shì)化(hu™à)可(kě)以幫助科(kē)研人(rén)員(yuán)直觀分(fēn)析被研究對(duì)象的(de)動态行(xíng)為(wèi)，也(yě)可(kě)以幫助車(chē)間(j≤iān)技(jì)術(shù)人(rén)員(yuán)快(kuài)速掌握加工(gōng)過程或加工(gōng)對(duì)象的(de)實時(shí)狀态。

(4)可(kě)控化(huà)：可(kě)控化(huà)是(shì)建模與仿真技(jì)術(shù)通(tōng)往終極γ目标的(de)必要(yào)手段。建模與仿真技(jì)術(shù)的(de)目的(de)是(shì)對(duì)被研究對(duì)象進行"(xíng)分(fēn)析和(hé)優化(huà)。隻有(yǒu)在建模與仿真技(jì)術(shù)中做(zuò)到(dào)可→(kě)控化(huà)，才可(kě)以進行(xíng)科(kē)學化(huà)的(de)對(duì)照(zhào)試驗、優化(huà)試驗等。

建模與仿真技(jì)術(shù)的(de)特點随著(zhe)制(zhì)造業(yè)的(de)發展而不™(bù)斷更新

另外(wài)，随著(zhe)制(zhì)造業(yè)的(de)轉型升級，從(cóng)傳統制(zh©ì)造到(dào)數(shù)字制(zhì)造，從(cóng)數(shù)字制(zhì)造到(dào)數(shù)字化(huà)網絡化(huà)制(zhì$)造，再到(dào)數(shù)字化(huà)網絡化(huà)智能(néng)化(huà)制(zhì)造，建模與仿真技(jì)術(shù)又(yòu)表現('xiàn)出一(yī)些(xiē)新的(de)特點：

(1)集成化(huà)：智能(néng)制(zhì)造發展的(de)初級階段，即數(shù)字制(zhì)造，制(zhì)造對(duì)象或制(zhì)造主體( tǐ)(機(jī)床或機(jī)器(qì)人(rén)等)主要(yào)表現(xiàn)出單元化(huà)的(de)制(zhì)造特點;到(dào)了(le)智能(nén®g)制(zhì)造發展的(de)第二階段，即數(shù)字化(huà)網絡化(huà)制(zhì)造，制(zhì)造對(duì)象或制(zhì)造主體(tǐ)又₽(yòu)表現(xiàn)出在互聯網下(xià)的(de)多(duō)邊互聯特點;再到(dào)數(shù)字化(huà)網絡化(hu‌à)智能(néng)化(huà)的(de)第三階段，依托5G、物(wù)聯網、雲計(jì)算(suàn)、雲存儲等技(jì)術(shù)，實現(xiàn)各制(zhì)造對(duì)象或制(zhì)造主體(tǐ)之間(jiān)的(de)互聯互通(tōng )，人(rén)-機(jī)-物(wù)的(de)有(yǒu)機(jī)融合，建模與仿真技(jì)術(₩shù)也(yě)從(cóng)原來(lái)的(de)單一(yī)化(huà)過渡到(dào)多(duō)機(jī)協同的(de)集成化(huà)模式。

(2)模塊化(huà)：模塊化(huà)似乎是(shì)與集成化(huà)相(xiàng)悖的(de)一(yī)個(gè)概念和(hé)特點，但(dàn)其實不(bù)然。數(shù)字化(huàπ)制(zhì)造過程中，由于加工(gōng)對(duì)象單一(yī)，加工(gōng)過程單一(yī)，建模與仿真技(jì)術(shù)也(yě)表現(x'iàn)出模型與實體(tǐ)對(duì)象的(de)一(yī)一(yī)對(duì)應的(de)特點。但(dàn)到(dào)了(le)智能(néng)制(zhì)造發展的(de)第三階段，由于加→工(gōng)過程更為(wèi)複雜(zá)，加工(gōng)對(duì)象更多(duō)，各個(gè)對(duì)象之間(jiān)還(hái)有(yǒu)緊密的(de)聯系，建模與仿真♠技(jì)術(shù)也(yě)變得(de)更複雜(zá)，更有(yǒu)必要(yào)在複雜(zá)的(de)條件(jiàn)下(xià)構建模塊✘化(huà)的(de)建模單元與仿真單元，以便不(bù)同人(rén)員(yuán)跨地(dì)區(qū)、跨學φ科(kē)、跨專業(yè)、跨時(shí)段地(dì)進行(xíng)協同建模與仿真開(kāi)發。

(3)層次化(huà)：HLA(high-level architecture)是(shì)智能(néng)制(zhì)造中的(de)一(yī)個(gèβ)代表性的(de)開(kāi)放(fàng)式、面向對(duì)象的(de)技(jì)術(shù)架構體(tǐ)系。在HLA架構體(tǐ)系下(xià)，智能(nén•g)車(chē)間(jiān)、智能(néng)工(gōng)廠(chǎng)、智能(néng)倉儲、智能(néng)化(huà)嵌入式系統、智能(néng)化(huà)加工(gōng)單元<等作(zuò)為(wèi)智能(néng)制(zhì)造網絡化(huà)體(tǐ)系結構的(de)下(xià)端級，雲平台、雲存儲作(zuò)為(wèi→)上(shàng)端級，邊緣計(jì)算(suàn)、雲計(jì)算(suàn)作(zuò)為(wèi)溝通(tōng)中間(jiān)的(de)連接驅動和(hé)計(jì)算(s↔uàn)資源。針對(duì)複雜(zá)網絡體(tǐ)系下(xià)的(de)智能(néng)制(zhì)造，需要(yào)更加層次化(huà)的(de)建模與€仿真，有(yǒu)利于模型的(de)管理(lǐ)、重用(yòng)、優化(huà)升級與快(kuài)ε速部署。

(4)網絡化(huà)：5G是(shì)智能(néng)制(zhì)造時(shí)代的(de)高(gāo)速信息通(tō'ng)道(dào)，智能(néng)制(zhì)造與5G技(jì)術(shù)的(de)結合，更有(yǒu)利于将人(rén)-機(jī)-物(wù)進行(xíng)有(yǒu)®機(jī)融合，各加工(gōng)制(zhì)造單元互聯互通(tōng)，模型交互與模型共享，仿真數(shù)據共享。

(5)跨學科(kē)化(huà)：智能(néng)制(zhì)造生(shēng)産活動中，表現(xiàn)出了(le)多(duō)學科(kē)和™(hé)跨學科(kē)的(de)特點。建模與仿真技(jì)術(shù)在集成式發展的(de)過程中，也(yě)表現(xiàn)出集機(jī)械、電(diàn)磁、化(huà)γ學、流體(tǐ)等多(duō)學科(kē)知(zhī)識，表現(xiàn)出多(duō)專家(jiā)系統模式。典型的(de)如(rú)CAM軟件(™jiàn)，既能(néng)夠進行(xíng)機(jī)械的(de)三維實體(tǐ)建模，又(yòu)能(néng)β對(duì)模型進行(xíng)有(yǒu)限元分(fēn)析、流體(tǐ)分(fēn)析與磁場(chǎng)分(fēn)析等 。

(6)虛實結合化(huà)：虛實結合化(huà)是(shì)智能(néng)制(zhì)造中建模與仿真技(jì)術(shù)的(de)重要(yào∑)特點，也(yě)是(shì)前沿方向。典型的(de)如(rú)VR(virtual reality)、MR(mixed reality)、AR(augmented reality)等技(jδì)術(shù)，這(zhè)些(xiē)技(jì)術(shù)的(de)共同特征都(dōu)是(shì)能(nγéng)讓人(rén)參與虛拟化(huà)的(de)建模與仿真技(jì)術(shù)，與實體(tǐ)對(duì)象進行(xíng)交互，增強仿真過程中的(de)真¥實體(tǐ)驗。

(7)計(jì)算(suàn)高(gāo)速化(huà)：随著(zhe)計(jì)算(suàn)機(jī)技(jì)術(shù)和(hé)網絡技(jì)術(shù)的(de)快(kuài♠)速發展，能(néng)夠對(duì)制(zhì)造活動中的(de)對(duì)象進行(xíng)越來(lái)越真™實的(de)建模與刻畫(huà)，仿真過程也(yě)越來(lái)越豐富。雖然模型的(de)計(jì)算(suàn)複雜(zá)度大(dà)幅度提升，但(dàn)依托于高(gāo)速計(jì)算(δsuàn)機(jī)、大(dà)型服務器(qì)、高(gāo)速總線技(jì)術(shù)、網絡化(huà)技(jì)術(shù)和(hé)并行(xíng)計(jì)算(suàn)模式，建模與Ω仿真也(yě)表現(xiàn)出計(jì)算(suàn)高(gāo)速化(huà)的(de)特點。計(jì)算(suàn)高(gāo)速化(huβà)的(de)建模仿真，是(shì)虛拟化(huà)模型與實體(tǐ)制(zhì)造加工(gōng)過程進行(xíng)實時(shí)協作(®zuò)的(de)關鍵技(jì)術(shù)。高(gāo)性能(néng)計(jì)算(suàn)(H≤PC)利用(yòng)并行(xíng)處理(lǐ)和(hé)互聯技(jì)術(shù)将多(duō)個(gè)計(jì)算(suàn)節點連接起來(lái)，從(cóng)而高(gāo)效、可(k₽ě)靠、快(kuài)速運行(xíng)高(gāo)級應用(yòng)程序。基于HPC環境的(de)并行(xíng)分(fēn)布仿真是(shì)提高(gāo)大(dà)規模仿真的(de)運行(x♠íng)速度的(de)重要(yào)方法。

(8)人(rén)工(gōng)智能(néng)化(huà)：傳統的(de)建模仿真主要(yào)是(shì)三類，即基于物(wù)理(lǐ)分(fēn)析的(de)機(jī)理(lǐ)模型、基于實驗過程的(de)經驗推導模型、£基于統計(jì)信息的(de)統計(jì)模型。智能(néng)制(zhì)造是(shì)一(yī)個(gè)高(gāo)度複雜(zá)和(hé)強耦合的(d×e)體(tǐ)系，傳統的(de)模型在一(yī)些(xiē)要(yào)求較高(gāo)的(de)條件(jiànδ)下(xià)，往往并不(bù)能(néng)滿足需求。而通(tōng)過借助人(rén)工(gōng)智能(n&éng)技(jì)術(shù)，如(rú)人(rén)工(gōng)神經網絡、核方法、深度學習(xí)、強化(huà)學習(xí)、÷遷移學習(xí)等對(duì)非線性強耦合的(de)加工(gōng)過程和(hé)加工(gōng)對(duì)象進行(xíng)建模，能(né±ng)夠得(de)到(dào)傳統建模方法達不(bù)到(dào)的(de)精準效果。

(9)數(shù)據驅動化(huà)：工(gōng)業(yè)大(dà)數(shù)據是(shì)數(shù)字-智能(néng)時(shí)代≤工(gōng)業(yè)的(de)一(yī)個(gè)伴生(shēng)名詞，工(gōng)業(yè)大(dà)數(shù)據指智能(néng)制(zhì)造活動中，加工(gōng)實體(tǐ)、→加工(gōng)過程等一(yī)切參與智能(néng)制(zhì)造活動的(de)對(duì)象所産生(shēng)的(de)數(shù)據資源。工(gōng)業(yè)大(dγà)數(shù)據背後往往隐藏著(zhe)巨大(dà)的(de)制(zhì)造活動奧秘，而這(zhè)些(xiē)奧秘€是(shì)傳統建模與仿真憑借機(jī)理(lǐ)推導、單一(yī)數(shù)據實驗和(hé)統計(jì)難以發現(xiàn≥)的(de)。基于工(gōng)業(yè)大(dà)數(shù)據和(hé)機(jī)器(qì)學習(xí)技(jì)術(shù)，能(néng)夠為(wèi)複雜(zá)制(z™hì)造對(duì)象與過程進行(xíng)建模，并伴随數(shù)據量的(de)逐漸累積，所建立的(de)模型與仿真也(yě)更加貼合實際。"

03建模與仿真技(jì)術(shù)的(de)

技(jì)術(shù)體(tǐ)系/關鍵技(jì)術(shù)

1)建模/仿真支撐環境

建模/仿真的(de)支撐環境是(shì)進行(xíng)建模與仿真的(de)基礎性問(wèn)題。在計(jì)算(suàn)機(jī)、網絡、軟件(jiàn)(管理(lǐ)軟件(j♣iàn)、應用(yòng)軟件(jiàn)和(hé)通(tōng)信軟件(jiàn))、數(shù)據庫、圖形圖像可(kě)視(shì)化(huà)的(de§)基礎上(shàng)構建建模/仿真支撐環境。建模/仿真支撐環境是(shì)建模和(hé)進行(xíng)∑仿真試驗的(de)硬軟件(jiàn)環境，它的(de)體(tǐ)系結構應根據仿真任務的(de)需求和(hé)規模從(cóng)資源、通(tōng)信、應用(↕yòng)3個(gè)方面來(lái)設計(jì)，建立适合本應用(yòng)領域的(de)建模/仿真支撐環境。建模/仿真支撐環境可(kě)劃分(fēn)為(wèi)建模開(kāi)♦發環境和(hé)仿真運行(xíng)環境，兩者有(yǒu)共享的(de)資源。

研究開(kāi)發環境主要(yào)用(yòng)于建模、仿真系統設計(jì)、仿真軟件(jiàn)開(kāi)發等，沒有(yǒu)嚴格的(de)時(shí)間(jiān)管理(lǐ)®要(yào)求，但(dàn)要(yào)保證事(shì)件(jiàn)發生(shēng)的(de)前後順序;而仿真運行(xí♥ng)環境用(yòng)于仿真系統運行(xíng)，必須有(yǒu)嚴格的(de)時(shí)間(jiān)管理(lǐ)，保證實時(shí)性。一(yī)般情況下(x♠ià)，仿真系統運行(xíng)時(shí)調用(yòng)的(de)資源是(shì)固定的(de)、靜(÷jìng)态的(de)，要(yào)實現(xiàn)調用(yòng)動态資源則建模仿真環境體(tǐ)系結構更複雜(zá)。在智能(néng)制(£zhì)造的(de)背景下(xià)，建模/仿真技(jì)術(shù)的(de)支撐環境也(yě)越來(lái)越♠複雜(zá)，從(cóng)單計(jì)算(suàn)機(jī)平台，過渡到(dào)多(duō)機(jī)協同建模與仿真平台，從(cóng)個(gè)人(r≥én)電(diàn)腦(nǎo)遷移到(dào)雲端進行(xíng)建模與仿真。然而，每一(yī)次建模與仿真技(jì)術(shù)的(de)革新，往往σ伴随支撐環境底層技(jì)術(shù)的(de)突破。

2)先進分(fēn)布仿真

從(cóng)單元化(huà)制(zhì)造到(dào)集成化(huà)網絡化(huà)制(zhì)造，也(yě)呈現(xiàn)出分(fēn)布式建模與仿真的(de)新α模式。基于仿真的(de)設計(jì)、基于仿真的(de)制(zhì)造涉及多(duō)個(gè)專業(yè)、多(du↔ō)個(gè)單位，他(tā)們可(kě)能(néng)分(fēn)布在不(bù)同地(dì)區(qū)，應将分(f↔ēn)布在各地(dì)理(lǐ)的(de)仿真系統、模型、計(jì)算(suàn)機(jī)、設備，将通(tōng)過網絡構成分(fēn)布聯網仿真✔系統。仿真運行(xíng)時(shí)，仿真系統中的(de)模型之間(jiān)，計(jì)算(suàn)機(jī)之間(jiān)，仿真系統之間(jiān)有(yǒu)大(dà)量數(shù)據₩和(hé)信息傳送和(hé)交互。

美(měi)國(guó)國(guó)防部于1998 年(nián)正式提出基于仿真采辦的(de)概念，其兩大(dà)關鍵是(shì)：

(1)協同環境-協同環境是(shì)由互操作(zuò)的(de)工(gōng)具和(hé)數(shù)據庫，權威的(de)信息資源，以及産品/過程模型支持的(de)各領域專家(jiā)可(kě♠)協同工(gōng)作(zuò)的(de)環境;

(2)分(fēn)布産品描述-分(fēn)布産品描述是(shì)數(shù)字化(huà)産品信息的(de)分(fēn)布集合，通(tōn≠g)過 Web 技(jì)術(shù)互聯，對(duì)用(yòng)戶呈現(xiàn)單一(yī)的(de)邏輯‍上(shàng)統一(yī)的(de)産品描述，包括産品數(shù)據，産品模型，過程模型等。

3)仿真資源庫

仿真資源庫是(shì)仿真技(jì)術(shù)的(de)依賴性技(jì)術(shù)。仿真資源庫包括數(shù)據庫，模型庫，工(gōng)具軟件♦(jiàn)庫等。仿真系統的(de)開(kāi)發和(hé)運行(xíng)要(yào)用(yòng)到(dào)大(dà)量數(shù)據和(h★é)模型，例如(rú)飛(fēi)行(xíng)器(qì)動力學模型和(hé)氣動數(shù)據，全球導航台數(shù)據，綜合自(zì)然環境模型和(hé)數(shù)據，産品↑性能(néng)的(de)模型和(hé)數(shù)據，人(rén)的(de)行(xíng)為(wè♥i)模型和(hé)數(shù)據、仿真結果數(shù)據等。此外(wài)，仿真資源庫越豐富，能(néng)開(kāi)展的(de)仿真活動也(yě)更為(wè≤i)多(duō)樣。在智能(néng)制(zhì)造中，人(rén)是(shì)一(yī)項關鍵的(de)因素，将人(rén)納入建模與仿真環境進行(xíng)協同仿真，是(εshì)對(duì)建模與仿真平台的(de)又(yòu)一(yī)大(dà)挑戰。因此，建模與仿真技(jì)術(shù)不(bù)但(d™àn)需要(yào)有(yǒu)豐富的(de)圖形圖像仿真資源庫、數(shù)值計(jì)算(suàn)與數(shù)值優化(h→uà)資源庫，也(yě)要(yào)包含語料資源庫、音(yīn)頻(pín)資源庫，甚至是(shì)觸覺資源庫與多(♠duō)專家(jiā)系統知(zhī)識庫。

4)圖形圖像綜合顯示技(jì)術(shù)

圖形圖像綜合顯示技(jì)術(shù)一(yī)直都(dōu)是(shì)建模與仿真技(jì)術(shù)的(de)關鍵核心技(jì)術(shù)，也(yě)是(shì)最根本的♥(de)一(yī)項技(jì)術(shù)，是(shì)計(jì)算(suàn)機(jī)圖形學、數(shù)據處理(lǐ)等基礎技(jì)術(shù)的(de)綜合≤應用(yòng)。智能(néng)制(zhì)造對(duì)建模與仿真的(de)圖形圖像綜合顯示技(jì×)術(shù)提出了(le)更多(duō)新的(de)要(yào)求，即不(bù)但(dàn)能(néng)在單機(jī )上(shàng)進行(xíng)二維和(hé)三維圖形顯示，更需要(yào)滿足嵌入式系統仿真過程中的(de)快(ku>ài)速在線實時(shí)三維顯示。這(zhè)種綜合顯示技(jì)術(shù)不(bù)再是(shì)單一(yī)加工(gōng)對(∞duì)象或加工(gōng)主體(tǐ)的(de)圖形圖像化(huà)顯示，更提出了(le)新的(de)要(yào)求，即融合人(rén)和(hé)加工(gōng)環境等的(de)仿真顯示技(jì)✔術(shù)。

數(shù)控加工(gōng)仿真是(shì)利用(yòng)計(jì)算(suàn)機(jī)圖形學的(de)成果，采用(yòng)動态圖的(de)真實感形式，模拟數(αshù)控加工(gōng)全過程。通(tōng)過數(shù)控加工(gōng)仿真軟件(jiàn)，能(néng)判别加工(gōng)路(lù)徑是(shì)否合理(lǐ)₩，檢測刀(dāo)具的(de)碰撞、幹涉，優化(huà)加工(gōng)參數(shù)，減低(dī)材÷料消耗和(hé)生(shēng)産成本，最大(dà)限度地(dì)發揮數(shù)控設備的(de)利用(yòng)率，如(rú)圖1所示。一(yī)個(gè)完整的(de)數(shù)控加工¥(gōng)仿真過程包括：

(1)NC代碼的(de)翻譯及檢查;

(2)毛坯幹涉及零件(jiàn)圖形的(de)輸入和(hé)顯示;

(3)刀(dāo)具的(de)定義及圖形顯示;

(4)刀(dāo)具運動及毛坯切屑的(de)動态圖形顯示;

(5)刀(dāo)具碰撞及幹涉檢查;

(6)仿真結果報(bào)告，包括具體(tǐ)幹涉位置及幹涉量。

04建模與仿真技(jì)術(shù)

在智能(néng)制(zhì)造中的(de)典型應用(yòng)案例

1)建模與仿真技(jì)術(shù)在工(gōng)業(yè)機(jī)器(qì)人(rén)中的(de)應用(yòng)

作(zuò)為(wèi)智能(néng)制(zhì)造中的(de)典型應用(yòng)範例，建模和(hé)仿真技(jì)術(shù)對(duì)于機(j$ī)器(qì)人(rén)的(de)理(lǐ)論研究、設計(jì)開(kāi)發、數(shù)據分(fēn)析、快(kuài)速産線部署、程序編制(zhì)、運動規劃等都(dōu)極為(wèi)✔重要(yào)，更是(shì)實現(xiàn)智能(néng)制(zhì)造中加工(gōng)工(gōng)藝優化(huà)、加工(g±ōng)質量與産品性能(néng)提升、無人(rén)化(huà)工(gōng)廠(chǎng)的(de)關鍵核心技(jì)術(shù)。

機(jī)器(qì)人(rén)的(de)建模包括運動學建模、動力學建模、力與環境的(de)物(wù)理(lǐ)交互建模等，建模是(shì)控制(zhì)和(hé)仿真的(de∑)基礎。典型的(de)運動學建模仿真平台有(yǒu)MATLAB、Gazebo、V-REP等。其中，MATLAB可 (kě)為(wèi)機(jī)器(qì)人(rén)進行(xíng)理(lǐ)論計(jì)算(suàn)研究(如(rú)圖2所示)。基于其強大(dà)的(de)矩陣運算(suà≈n)工(gōng)具箱，研究人(rén)員(yuán)能(néng)靈活、方便地(dì)進行(xíng)運動學和(hé)動力學建模等。另外(wài)，基于Simulink工(gōng)具箱，還∏(hái)可(kě)進行(xíng)與機(jī)器(qì)人(rén)運動控制(zhì)相(xiàng)關的(de)實驗設計(jì)和(hé)分(fēn)析。

Gazebo是(shì)一(yī)款3D動态模拟器(qì)，能(néng)夠在複雜(zá)的(de)室內(nèi)和(hé)室外(wài)環境中準确、有(<yǒu)效地(dì)模拟機(jī)器(qì)人(rén)群。Gazebo可(kě)提供高(gāo)保真度的(de)物(wù)理(lǐ)模拟和(hé)一(yī)整套的(de)傳感器(qì)模型，還(hái)能(néng)提供用(yòng)戶和(hé)程序非常友(yǒu)好(hǎo)的(de)交互方式。基于Gazebo動态模拟器(qì)，可(kě)以對(duì)機(j€ī)器(qì)人(rén)算(suàn)法進行(xíng)測試，設計(jì)機(jī)器(qì)人(rén)和(hé)現(xiàn)實場(c✔hǎng)景進行(xíng)回歸測試。一(yī)般情況下(xià)，Gazebo會(huì)運行(xíng)在Ubuntu操作(zuò)系γ統上(shàng)的(de) ROS(robot operating system)環境中進行(xíng)集成使用(yòng)，如(rú)圖3δ所示。

2)建模與仿真技(jì)術(shù)在汽車(chē)設計(jì)中的(de)應用(yòng)

在現(xiàn)代汽車(chē)設計(jì)過程中，汽車(chē)性能(néng)的(de)設計(jì)優化(huà)主要(yào)是(shì)利用(yòng)建模與 仿真技(jì)術(shù)對(duì)汽車(chē)性能(néng)進行(xíng)預測評估後，根據仿真結果對(duì)整車(chē)設計(jì)參數(shù)進行(₩xíng)優化(huà)。仿真技(jì)術(shù)使所設計(jì)的(de)車(chē)型能(néng)在不(bù)制(zhì)造出樣車(chē)、不(bù)進行(xíng✘)實車(chē)試驗的(de)情況下(xià)，完成對(duì)新車(chē)型性能(néng)的(de←)預測和(hé)整車(chē)設計(jì)參數(shù)的(de)優化(huà)。與傳統的(de)汽車(chē)性能(néng)優化(huà)過程相(xiàng)™比，仿真技(jì)術(shù)的(de)應用(yòng)，縮短(duǎn)了(le)新車(chē)型的(de)設計(jì)周期，節約了(le)新車(chē)型的(de)設計(jìβ)經費(fèi)，并改進了(le)新車(chē)型的(de)性能(néng)、質量和(hé)成本，這(zhè)是(shì)一(yī)種适應人(rén)們對(duì)新車(chē)型要(yào)求不(Ωbù)斷提高(gāo)的(de)最有(yǒu)效的(de)方法。為(wèi)此，各大(dà)汽車(chē)✘公司在進行(xíng)新車(chē)型開(kāi)發時(shí)，都(dōu)廣泛地(dì)應用(yòng)了(le)建模與仿真技(jì)術(shù)。

3)建模與仿真技(jì)術(shù)在制(zhì)造車(chē)間(jiān)設計(jì)中的(de)應用(yòng)

一(yī)般可(kě)以把車(chē)間(jiān)的(de)設計(jì)過程分(fēn)為(wèi)兩個(gè)主要(yào)階段：初步設計(jì)階段和(hé)詳細設計(jì)階段。↕初步設計(jì)階段的(de)任務是(shì)研究用(yòng)戶的(de)需求，然後由此确定初步設計(jì)方案‍。詳細設計(jì)階段的(de)主要(yào)任務是(shì)在初步設計(jì)的(de)基礎上(shàng)，提出對(duì)車(chē)間(jiān)各個(gè)組成單元的★(de)詳盡而完整的(de)描述，使設計(jì)結果能(néng)夠達到(dào)進行(xíng)實驗和(hé)投産決策的(de)程度，具體(tǐ)來→(lái)說(shuō)即确定設備、刀(dāo)具、夾具、托盤、物(wù)料處理(lǐ)系統、車(chē)間(jiān)布局等。而仿真技(jì)術÷(shù)則主要(yào)用(yòng)于方案的(de)評價和(hé)選擇。在初步設計(jì)階段，可©(kě)以在仿真程序中包含經濟效益分(fēn)析算(suàn)法，運行(xíng)根據初步設計(jì)方案所建立的(de)仿真模型，σ對(duì)以下(xià)信息進行(xíng)評價：新車(chē)間(jiān)中生(shēng)産的(de)産品類型和(hé)數(shù)量能(néng)否滿足用(yòng)戶要(yào)求，産品¥的(de)質量和(hé)精度是(shì)否能(néng)夠滿足要(yào)求，新車(chē)間(jiān)的(‌de)效率和(hé)投資回收率是(shì)否合理(lǐ)。在詳細設計(jì)階段，使用(yòng)仿真技(jì)術(shù)•可(kě)以對(duì)候選方案的(de)以下(xià)方面做(zuò)出評價：在制(zhì)造主要(yào)零件≥(jiàn)時(shí)，車(chē)間(jiān)中主要(yào)加工(gōng)設備是(shì)否能(néng)夠得(de)到(dào)充分(♣fēn)的(de)利用(yòng)，負載是(shì)否比較平衡，物(wù)料處理(lǐ)系統是(shì)否能(néng)夠和(hé)車(cδhē)間(jiān)的(de)柔性程度相(xiàng)适應，新車(chē)間(jiān)的(de)整體(tǐ)布局是(shì)否能(néng)夠滿足生(shēng)産調度的(de)要'(yào)求，是(shì)否具有(yǒu)一(yī)定的(de)可(kě)重構能(néng)力，在發生(shēng)故障時(shí)∞，車(chē)間(jiān)生(shēng)産系統是(shì)否能(néng)夠維持一(yī)定程度的(de)生(shēng)産能(néng)力。

05

建模與仿真技(jì)術(shù)的(de)發展趨勢

智能(néng)制(zhì)造從(cóng)單元化(huà)，過渡到(dào)集成化(huà)，再到(dào)網絡化(huà)智能(néng)化(huà)，✔建模與仿真技(jì)術(shù)也(yě)呈現(xiàn)出新的(de)技(jì)術(shù)特點和(hé)技(jì)術(shù)應用(yòng)β。總的(de)來(lái)說(shuō)，伴随智能(néng)制(zhì)造發展的(de)腳步，建模與仿真技(jì)術(shù)将會(hu₽ì)更加緊密地(dì)與5G、雲計(jì)算(suàn)、大(dà)數(shù)據、人(rén)工(gōng)智能(néng)相(xiàng)結合。建模與仿真技(jì)術(sh★ù)正呈現(xiàn)出實時(shí)化(huà)仿真、分(fēn)布式嵌入式仿真、雲端建模與仿真、多(duō)±端建模與仿真和(hé)模型資源共享、虛實結合的(de)建模與仿真、人(rén)與加工(gōng)過程參與建模與仿真互動、大(dà)數(shù)據驅動的(de)∑混合建模、人(rén)工(gōng)智能(néng)和(hé)群體(tǐ)智能(néng)優化(huà)技(jì)術(shù)結合的(de)建模與仿真等λ趨勢。

随著(zhe)制(zhì)造業(yè)的(de)發展，建模仿真技(jì)術(shù)将發揮更加重要(yào)的(de)作(zuò)用(yòng)。與此同時(shí)，由于智↓能(néng)制(zhì)造系統的(de)新的(de)特點，對(duì)仿真技(jì)術(shù)提出了(le)更高(gāo)的(de)要(yào)求。

1)新一(yī)代數(shù)字模型

新一(yī)代數(shù)字模型是(shì)将傳統的(de)建模仿真技(jì)術(shù)與新一(yī)代的(de)信息技(jì)術(shù)，如(rú)物(wù)α理(lǐ)信息系統、物(wù)聯網、大(dà)數(shù)據、雲計(jì)算(suàn)、虛拟現(xiàn)實/增強現(xiàn)實、人(rén)工(gōng)智能(né¥ng)等技(jì)術(shù)相(xiàng)結合，根據特定的(de)需求而構建伴随被建模的(de)物(wù)理(lǐ)•實體(tǐ)全生(shēng)命周期、可(kě)持續演化(huà)且高(gāo)度可(kě)信的(de)數(shù)字化(huà)模型。新一(yī)代數(shù)字模型不(bù)僅可(kě<)以進行(xíng)離(lí)線的(de)分(fēn)析與預測，還(hái)能(néng)在線地(dì)與±物(wù)理(lǐ)系統進行(xíng)實時(shí)互動。新一(yī)代數(shù)字模型技(jì)術(shù)将成為(wèi☆)支持新一(yī)代智能(néng)制(zhì)造的(de)關鍵技(jì)術(shù)之一(yī)。

數(shù)字孿生(shēng)技(jì)術(shù)是(shì)一(yī)種典型的(de)新一(yī)代數(shù)字模型技(jì)術(shù)。它是 (shì)傳統虛拟樣機(jī)技(jì)術(shù)的(de)延伸和(hé)發展。

虛拟現(xiàn)實(VR)/增強現(xiàn)實(AR)/混合現(xiàn)實(MR)技(jì)術(shù)也(yě)是(shì)新一(yī)代數(shù)字模型技(jì)術(shù)的(de≤)重要(yào)內(nèi)容。通(tōng)過VR可(kě)以增加虛拟模型的(de)沉浸感，而AR及MR技(jì)術(shù)可(kě)以實現(xiàn)人(rβén)、信息系統和(hé)物(wù)理(lǐ)系統的(de)融合仿真。AR可(kě)将計(jì)算(suàn)機(jī)生(shēng)成的(de)虛拟景象疊加到(dào)現(xiàn)≠實景物(wù)上(shàng)，實現(xiàn)人(rén)與虛拟物(wù)體(tǐ)的(de)實時(shí)交互。

制(zhì)造過程是(shì)一(yī)個(gè)人(rén)、信息、機(jī)器(qì)、環境高(g©āo)度融合的(de)系統。仿真技(jì)術(shù)除了(le)建立産品模型以及制(zhì)造所需要(yào)的(de)資源、設備、環境等模型外(wài)，還(hái)可(kě)以建立人₩(rén)員(yuán)的(de)模型。通(tōng)過人(rén)員(yuán)模型與設備及環境模型的(de)交互式仿真，實現(xiàn)更真實可(kě)信的(de)仿真過程。

2)面向制(zhì)造全生(shēng)命周期的(de)模型工(gōng)程

數(shù)字模型的(de)建立與管理(lǐ)是(shì)制(zhì)造企業(yè)實現(xiàn)制(zhì)造系統數(shù)字化(huà)的(de)重要(yào)基礎。由于制(z¥hì)造過程的(de)複雜(zá)性，制(zhì)造生(shēng)命周期的(de)數(shù)字模型擁有(yǒu)一(yī)些(xiē)新的(de)特點。

(1)模型的(de)組成更複雜(zá)。模型的(de)組成元素越來(lái)越多(duō)，元素之間(jiān)的(de)關系更加複雜(zá)。

(2)模型的(de)生(shēng)命周期更長(cháng)。智能(néng)制(zhì)造系統中的(Ωde)模型将參與産品的(de)整個(gè)生(shēng)命周期。由于模型元素之間(jiān)關系的(de)複雜(✔zá)性，模型的(de)演化(huà)過程将會(huì)非常複雜(zá)且呈現(xiàn)高(gāo)度不(bù)确定性。

(3)模型具有(yǒu)高(gāo)度異構性。大(dà)量的(de)模型是(shì)由不(bù)同的(de)機(jī)構采用(≥yòng)不(bù)同的(de)平台、結構、開(kāi)發語言和(hé)數(shù)據庫來(lái)構建。

(4)模型的(de)可(kě)信度極難評估。由于對(duì)模型的(de)依賴性的(de)增強，模型的(de)可(kě)信度問(wèn)題也α(yě)變得(de)越來(lái)越重要(yào)。由于模型的(de)複雜(zá)度增加，評估模型的(de)可(kě)信度變得(de)更加困難。

(5)模型的(de)可(kě)重用(yòng)性。為(wèi)了(le)提高(gāo)模型開(kāi)發的(de)效率與質量，模型重用(yòng)的(de)作(zuò)用(yòng)≤和(hé)價值變得(de)更加重要(yào)。

綜上(shàng)所述，迫切需要(yào)一(yī)種面向複雜(zá)制(zhì)造過程全生(shēn‌g)命周期的(de)模型理(lǐ)論和(hé)方法。

3)雲環境下(xià)的(de)智能(néng)仿真技(jì)術(shù)

随著(zhe)雲計(jì)算(suàn)技(jì)術(shù)的(de)發展，在制(zhì)造領域應用(yòng)雲平台<技(jì)術(shù)也(yě)逐漸成為(wèi)一(yī)種趨勢。在雲平台上(shàng)進行(xín★g)相(xiàng)關制(zhì)造活動是(shì)制(zhì)造企業(yè)進行(xíng)升級和(hé)轉型的(₽de)重要(yào)手段。如(rú)何在雲環境下(xià)，通(tōng)過仿真支持制(zhì)造全生(shēng)命周期的(de)協同優化(huà)，成為(wèi)仿 真技(jì)術(shù)面臨的(de)新挑戰。基于雲的(de)仿真技(jì)術(shù)與智能(néng)制(zhì)造的(de)結λ合将成為(wèi)制(zhì)造系統仿真發展的(de)必然趨勢。

4)面向大(dà)數(shù)據的(de)仿真技(jì)術(shù)

由于制(zhì)造系統的(de)複雜(zá)化(huà)，在制(zhì)造的(de)全生(shēng)命周期內(nèi)'産生(shēng)大(dà)量的(de)數(shù)據。大(dà)數(shù)據的(de)出現(xiàn)對(duì)仿真技(jì)術(shù)帶來(lái)了™(le)新的(de)機(jī)遇，同時(shí)仿真技(jì)術(shù)對(duì)制(zhì)造大(dà)數(shù)據的(de)獲取、處理(lǐ)、管理(↔lǐ)和(hé)使用(yòng)也(yě)将發揮重要(yào)作(zuò)用(yòng)。

一(yī)方面，大(dà)數(shù)據可(kě)以對(duì)仿真建模提供新的(de)途徑和(hé)方法。由于制(zhì)造系統的(de)高(gāo)度複雜(zá)性，導緻采用(yòng±)傳統方法對(duì)複雜(zá)系統建模非常困難。而利用(yòng)系統運行(xíng)産生(shēng)的(de)大(d®à)量數(shù)據樣本，通(tōng)過機(jī)器(qì)學習(xí)的(de)方式可(kě)以建立逼近(jìn)真÷實系統的(de)“近(jìn)似模型”。大(dà)數(shù)據對(duì)于仿真分(fēn)析方法也(yě)将産生(shēng)重要(yào)影(yǐng)響，仿真将從(cóπng)對(duì)因果關系的(de)分(fēn)析轉向對(duì)關聯關系的(de)分(fēn)析，同時(shí)大(∏dà)數(shù)據為(wèi)仿真分(fēn)析也(yě)将提供新的(de)資源和(hé)手段。另一(yī)方面，制(zhì)造大(dà)數(shù)據也(yě)将成為(wèi)建模仿真的(£de)重要(yào)研究對(duì)象，借助仿真技(jì)術(shù)挖掘并發揮大(dà)數(shù)據在制(zhì)造各環節中的(de)價值。此外(wài☆)，仿真技(jì)術(shù)還(hái)可(kě)用(yòng)于大(dà)數(shù)據的(de)篩選和(hé)預處理(lǐ)，大(dà)數(shù)據存儲策略、遷移策略以及傳輸™策略的(de)優化(huà)等方面。建模與仿真和(hé)大(dà)數(shù)據将相(xiàng)互促進、相(xiàng)互補充。兩者的(de)結合将有(yǒu)力δ的(de)促進智能(néng)制(zhì)造的(de)發展。

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