標準化接口的重要性

盡管如此，把這兩條主線連接在一起的工作如今卻甚少開展。有可能當一份由系統(tǒng)工程師完成的分析報告擺在從事物理設(shè)計的工程師面前時，卻沒有真正的技術(shù)手段讓從事系統(tǒng)工程的團隊和從事電氣工程、機械工程、材料工程的團隊在產(chǎn)品設(shè)計上進行有效互動和并行設(shè)計。

我們稱這種必需的數(shù)據(jù)集成為“動態(tài)集成”，而不是靜態(tài)集成，靜態(tài)集成中我們關(guān)心數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)元素之間的聯(lián)系，而在這里我們所關(guān)心的是系統(tǒng)行為——系統(tǒng)的動態(tài)/時域特性。這其中主要的挑戰(zhàn)是讓不同的CAE工具協(xié)同工作。

我們需要了解這一點以填補工具鏈的斷層，確保系統(tǒng)工程和專業(yè)學(xué)科領(lǐng)域方面的工作內(nèi)容可以共存，互動，交互信息并一起參與分析，例如聯(lián)合仿真。

不僅廠家和供應(yīng)商能夠一起協(xié)同工作，公司內(nèi)部不同部門也可以協(xié)同工作。為確保工作流程無縫銜接，工程師必須在充分了解系統(tǒng)的前提下，耦合不同工具并模擬復(fù)雜系統(tǒng)。

這正是FMI發(fā)揮作用的地方。

所謂FMI，即功能樣機接口，它定義了標準化的接口，用于復(fù)雜信息物理系統(tǒng)開發(fā)時的仿真分析。我們相信FMI標準具有整合設(shè)計階段及之后的各種流程的潛力，它通過模型將不同架構(gòu)粘在一起，這些模型可在支持FMI標準的任意環(huán)境中運行。

FMI的愿景恰好支持的工業(yè)4.0的構(gòu)想——如果產(chǎn)品是由零部件組裝而成，這些零部件以復(fù)雜方式相互作用，每個部件都遵循一組復(fù)雜的物理規(guī)律，那么就應(yīng)該可以創(chuàng)建這樣一個虛擬產(chǎn)品，它由一系列模型以數(shù)字化的方式組裝而成，每個模型可以代表零部件的組合，可以代表物理定律，也可以代表控制系統(tǒng)(使用電子、液壓、數(shù)字軟件等等)。

如果采取這種方法并應(yīng)用到需求管理中，那么仿真結(jié)果就可以直接反饋到初始階段，這是定義原始需求的最初階段，這反過來又有助于調(diào)整產(chǎn)品全生命周期管理以優(yōu)化工作流程，造出質(zhì)量更好的產(chǎn)品。

在這個過程中，效率和靈活性是產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)的關(guān)鍵。在物聯(lián)網(wǎng)的推動下，工業(yè)4.0或許能在未來幾年，在生產(chǎn)制造和互聯(lián)網(wǎng)日益一體化的基礎(chǔ)上推動新技術(shù)的應(yīng)用。

智能生產(chǎn)的驅(qū)動力

通常，產(chǎn)品開發(fā)是由工程師和計算機輔助設(shè)計(CAD)驅(qū)動的，而CAE仿真工具只用于驗證各種功能。當工程師在開發(fā)的后期發(fā)現(xiàn)某一部件沒有按照預(yù)期方式運行時，這種產(chǎn)品開發(fā)方式可能會變得相當昂貴。

在汽車或航空等領(lǐng)域，仿真或者至少是系統(tǒng)仿真，已經(jīng)在整個開發(fā)過程中取得一席之地，并已成為一個決定性的因素，特別是在基本功能必須得到保證的開發(fā)過程的早期階段。制造商已經(jīng)意識到，基于計算數(shù)據(jù)的早期決策可以走得更遠。

由這些行業(yè)推動，一個叫做“前端載入”(frontloading)的新趨勢已經(jīng)出現(xiàn)。它提高了資源利用率，使開發(fā)人員盡可能早地認識到未來產(chǎn)品的更多細節(jié)，以較低的成本代價靈活改變產(chǎn)品的設(shè)計方案。

包括汽車公司在內(nèi)的很多制造企業(yè)已經(jīng)在產(chǎn)品開發(fā)的早期階段使用仿真數(shù)據(jù)以保證質(zhì)量，并把資金投入到研發(fā)人員、工具、仿真軟件和測試上，這反過來帶來了回報：更短的產(chǎn)品上市周期，同時可以更好地避免錯誤，確保高質(zhì)量和高可靠性，并最終降低成本。因此，基于仿真的虛擬產(chǎn)品開發(fā)是未來工業(yè)生產(chǎn)的驅(qū)動力。

在目前的產(chǎn)品開發(fā)過程中，各種方法和配套軟件都被用于系統(tǒng)級分析和多學(xué)科領(lǐng)域仿真分析。這是連續(xù)工程(Continues Engineering)方法論的兩個關(guān)鍵部分，這兩部分過去沒有交集，只是在有限的應(yīng)用場合由各自團隊實施的時候有少量交集。

連續(xù)工程是一個企業(yè)用以加速交付日益復(fù)雜和互聯(lián)的產(chǎn)品的一種能力，這是工業(yè)4.0背景下的一個重要能力，主要通過幫助工程師加快學(xué)習(xí)了解整個生命周期，同時管控成本、質(zhì)量和風(fēng)險來實現(xiàn)。它反映了當今制造企業(yè)期待的理想狀態(tài)，即不間斷的工程實施，同時企業(yè)能夠應(yīng)對和適應(yīng)來自內(nèi)部和外部的變化，從一而終的提供市場主導(dǎo)產(chǎn)品和系統(tǒng)。

過去幾年中，我們已經(jīng)看到現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品正朝著多領(lǐng)域、信息—物理交聯(lián)方向發(fā)生巨大轉(zhuǎn)變。這就是工業(yè)4.0的指向——以信息物理融合系統(tǒng)(CPS)為基礎(chǔ)，以生產(chǎn)高度數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、機器自組織為標志的第四次工業(yè)革命。

現(xiàn)代化系統(tǒng)不再僅僅由軟件、硬件或機械部件自身構(gòu)成。這些融多學(xué)科于一身的操作單元以及軟件、固件、硬件和多物理系統(tǒng)之間的模糊區(qū)別正是使這些新系統(tǒng)更加智能，同時也更難以設(shè)計、分析、測試和驗證的原因。

機械、電子和軟件的協(xié)同性要求不僅使設(shè)計復(fù)雜化，如果跨學(xué)科的設(shè)計變更不能有效準確地協(xié)同起來，也可能導(dǎo)致項目延遲啟動并增加成本與風(fēng)險。

這些異構(gòu)的程序，以及典型的跨硬件和軟件學(xué)科的多級供應(yīng)鏈甚至?xí)Ξa(chǎn)品質(zhì)量和發(fā)貨造成更大的挑戰(zhàn)。

為了應(yīng)對這些新生信息—物理系統(tǒng)的挑戰(zhàn)，尤其是為了降低在開發(fā)后期才發(fā)現(xiàn)的子系統(tǒng)間相互干擾的風(fēng)險，需要開發(fā)新的技術(shù)。

這些新的工程方法應(yīng)該能夠?qū)Υ笮投囝I(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)進行高效的建模、分析、優(yōu)化和驗證。這是系統(tǒng)級建模和物理仿真之間的關(guān)聯(lián)發(fā)揮關(guān)鍵作用的地方。

如今行業(yè)中有兩條飛快發(fā)展的主線：基于模型的系統(tǒng)工程(MBSE)和一維到三維的物理仿真(Physical 1D to 3D simulation)。

MBSE是一種采用模型化手段為系統(tǒng)需求論證、設(shè)計、分析、驗證和校核等環(huán)節(jié)提供支持的正規(guī)理念和方法，從概念設(shè)計階段開始一直貫穿整個產(chǎn)品開發(fā)周期。

這種方法使系統(tǒng)工程更好地把握、分析、改進系統(tǒng)的要求和功能，并與其他工程手段實現(xiàn)無縫對接。

今天，大多數(shù)航宇防務(wù)、汽車、工業(yè)產(chǎn)品、電子、能源、公共事業(yè)、醫(yī)療設(shè)備等行業(yè)的公司正朝著“系統(tǒng)方法”轉(zhuǎn)變，將系統(tǒng)作為一個整體進行分析，并揭示由多學(xué)科相互作用引起的突發(fā)行為。目前最普遍的MBSE建模語言是SysML。

考慮到高昂的測試成本，那些想在昂貴的物理樣機建立之前驗證其產(chǎn)品變型的公司越來越多地采用仿真手段來驗證他們的設(shè)計，這便有了一維到三維物理仿真(Physical 1D to 3D simulation)。

設(shè)計者通過物理仿真模擬包括機械、電氣、電子、液壓、熱、控制和電力元件在內(nèi)的復(fù)雜物理系統(tǒng)，并基于仿真分析評估和優(yōu)化產(chǎn)品性能。

工業(yè)界一直對此抱有極大的興趣。不斷增長的仿真軟件用戶數(shù)和大量對建模標準如Modelica和FMI感興趣的工業(yè)企業(yè)，無不證明物理仿真正成為每個現(xiàn)代化產(chǎn)品設(shè)計過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

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