21世紀(jì)制造業(yè)的建模與仿真技術(shù)

1、V?1884?系統(tǒng)仿真學(xué)報JOURNAL OF SYSTEM SIMULATIONol. 16 No. 9Sept. 2004VV21世紀(jì)制造業(yè)的建模與仿真技術(shù)熊光楞，范文慧(清華大學(xué)自動化系，100084)摘 要：建模與仿真技術(shù)是21世紀(jì)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(jì)效益的核心 技術(shù)，也是21世紀(jì)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(jì)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(xiàn)標(biāo)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(jì)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(jì)的

4、制造業(yè)仍然是國家經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)的 命脈，也是國家經(jīng)濟(jì)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(jī)構(gòu)的總體，是國民經(jīng)濟(jì)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(jì)各個部門包括國防和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展提供先進(jìn)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(yīng)包括光機(jī)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(wù)，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(xué)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(jī)集成制造、并行工程、虛擬制造、敏捷制造、 網(wǎng)絡(luò)化制造、現(xiàn)代集成制造、下一代制造、綜合制造等新的先 進(jìn)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(jìn)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?？梢詽B透到先進(jìn)制造 當(dāng)中去，并幫助先進(jìn)制造實現(xiàn)集成，從而促進(jìn)一些先進(jìn)制造技 術(shù)的發(fā)展。建模與仿真(M&S)技術(shù)在改進(jìn)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(yīng)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(yù)測，大大促進(jìn)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(jī)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(jìn)行設(shè)計的波音777賁氣式 客機(jī)，設(shè)計使用了數(shù)字化預(yù)裝配和并行協(xié)同工程技術(shù)，無須建 立物理樣機(jī)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(xué)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(jì)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(jì)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(jì)制造業(yè)的建模與仿真技術(shù)? 1885 ?熊光楞，等：21世紀(jì)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(jìn)行完全的互操作，對性能設(shè)計進(jìn)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(yīng)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(yù)測過程的結(jié)果?！叭?加工過程”的建模與仿真強(qiáng)調(diào)加工過程的多學(xué)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(fù)故障， 響應(yīng)變化，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動調(diào)整，提高適應(yīng)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(wù)過程集成到一 起，并根據(jù)業(yè)務(wù)活動變化作岀快速的響應(yīng)，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(jìn)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(fēng)險評估模 型、風(fēng)險回避模型、預(yù)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(yīng)鏈模型等。它的 最終目標(biāo)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(jì)制造業(yè)的建模與仿真技術(shù)的應(yīng)用范圍已經(jīng)擴(kuò)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(jì)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(dá)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(yīng)用。例如，金屬在高溫下的塑性成形是一個復(fù)雜的熱力學(xué)過程, 成形過程不僅應(yīng)力應(yīng)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(yīng)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(xué)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(jī)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(xué)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(jī)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(rèn)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(bǔ)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(fù)雜性日益增加，其內(nèi)部涉及 到的學(xué)科知識也越來越多，學(xué)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(fù)雜仿真問題的支持，仿真應(yīng)用之間的 協(xié)同需求日益強(qiáng)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(yán)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(biāo) 準(zhǔn)

14、，以支持仿真應(yīng)用之間的協(xié)同，共同完成復(fù)雜的仿真任務(wù)。現(xiàn)實世界中的復(fù)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(fù)雜系統(tǒng)（整個產(chǎn)品或其某個復(fù)雜子系統(tǒng)）仿真支持 不夠。隨著產(chǎn)品規(guī)模和復(fù)雜程度的不斷增長，產(chǎn)品設(shè)計過程中 涉及到的學(xué)科領(lǐng)域越來越多，分系統(tǒng)間的關(guān)系也越來越復(fù)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(fù)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(qiáng)烈。多領(lǐng)域協(xié)同仿真技術(shù)將面向不同學(xué)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(jìn)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(qiáng)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(rèn)識系統(tǒng)的方法 和習(xí)慣；使得分析、設(shè)計、實現(xiàn)系統(tǒng)地方法學(xué)原理與人們認(rèn)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(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計過程提供更加強(qiáng)大的支持，從而促進(jìn)產(chǎn)品 設(shè)計能力的提高。4.

16、3智能化自學(xué)習(xí)建模與仿真技術(shù)雖然建模與仿真技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，但是，現(xiàn)?1886?系統(tǒng)仿真學(xué)報Sept. 2004Vol. 16 No. 9?1886?系統(tǒng)仿真學(xué)報Sept. 2004?1886?系統(tǒng)仿真學(xué)報Sept. 2004有的仿真技術(shù)仍然還存在某些有待進(jìn)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(xué)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(xué)模型的計算機(jī)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(xué)習(xí)訓(xùn)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(xué)習(xí)建模與仿真系統(tǒng)根據(jù)自己的目標(biāo)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(jìn)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(xué)習(xí)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(xùn)，根據(jù)科學(xué)原理知識進(jìn)行自學(xué)習(xí)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(jì)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(yīng)具有很好的兼容性、重用性和擴(kuò)充性，不需要對仿真 模型進(jìn)行修改，能夠通過自定義接口實現(xiàn)即插即用。當(dāng)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(jìn)行協(xié)商，有機(jī)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(zhǔn)確性、為了實現(xiàn)模型的實時性和為了適 應(yīng)業(yè)務(wù)的多變性，21世紀(jì)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(jìn)行設(shè)計、優(yōu)化及驗證， 應(yīng)用計算機(jī)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(jī)上岀現(xiàn)的制 造過程進(jìn)行自由交流；第二，形成一種新的、更高級的人機(jī)界 面，使能在虛擬的對象進(jìn)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(jìn)行交 互作用。5結(jié)論21世紀(jì)制造業(yè)的建模與仿真技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)從單一的系統(tǒng) 走向開放復(fù)雜的大系統(tǒng)，其應(yīng)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(jì)的建模與仿真(M &S)技術(shù)在改進(jìn)產(chǎn)品 設(shè)計、加工和管理過程，縮短市場響應(yīng)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(jì)先進(jìn)制造領(lǐng)域必不可缺少的、將會被普遍深入應(yīng)用的核心技術(shù)。參考文獻(xiàn)：1 張崢嶸，袁清珂.21世紀(jì)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(xué)的新發(fā)展J.中國機(jī)械工程，1999, (2).3 李勇，李成志等.制勝21世紀(jì)美國21世紀(jì)綜合制造技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略綜述R.北京先進(jìn)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(jī)仿真在制造業(yè)的應(yīng)用與發(fā)展J.機(jī)械研究 與應(yīng)用,2001,1: 26.6 柳百成.21世紀(jì)的材料成形加工技術(shù)J.