21世纪制造业的建模与仿真技术

1、V?1884?系统仿真学报JOURNAL OF SYSTEM SIMULATIONol. 16 No. 9Sept. 2004VV21世纪制造业的建模与仿真技术熊光楞，范文慧(清华大学自动化系，100084)摘 要：建模与仿真技术是21世纪信息技术和制造技术结合的桥梁，是使企业产生最大经济效益的核心 技术，也是21世纪制造业的一项关键支撑技术。阐述了建模与仿真技术在制造业的地位和作用，总结了 21世纪建模与仿真技术的特点，给岀了制造业建模与仿真技术的方展方向。关键词：建模；仿真；制造业文章编号：1004-731X (2004) 09-1884-03 中图分类号：TP391.9文献标识码：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制造业建模与仿真技术的地位制造业是国民经济和社会发展的物质基础，是国家综合国 力的重要体现；21世纪的

4、制造业仍然是国家经济和国防建设的 命脉，也是国家经济实现快速增长的重要因素。制造业是所有 与制造有关的企业机构的总体，是国民经济的支柱产业，它一 方面创造价值，生产物质财富和新的知识，另一方面为国民经 济各个部门包括国防和科学技术的进步与发展提供先进的手段 和装备现代制造的基本特点是大制造和全过程【2】。大制造” 应包括光机电产品的制造、工业流程制造、材料制备等，它是 一种广义制造概念。全过程”，不仅包括从毛坯到成品的加工制造过程，还包括产品的市场信息分析，产品决策，产品的设 计、加工和制造过程，产品的销售和售后服务，报废产品的处 理和回收，以至产品的全寿命过程的设计、制造和管理。由于国内外市

5、场竞争的加剧，科学技术发展迅速，产品更 新换代速度加快及人们对产品多样化的需求增加，先后出现了 柔性制造，计算机集成制造、并行工程、虚拟制造、敏捷制造、 网络化制造、现代集成制造、下一代制造、综合制造等新的先 进制造理念和哲理。但是，从整体来看，制造业的发展离不开 先进的信息与知识技术、全面的建模与仿真技术、精密的工艺 与装备技术和高效的企业集成技术共四大关键技术 【3-4【5】。建模与仿真作为一种重要手段，通常可以渗透到先进制造 当中去，并帮助先进制造实现集成，从而促进一些先进制造技 术的发展。建模与仿真(M&S)技术在改进产品和过程，缩短收稿日期：2004-07-18作者简介：熊光

6、楞(1936-),男，上海人，教授，研究方向为控制理论与控制 工程、制造系统仿真与集成，并行工程，调度及协同工作理论等；市场响应时间，以及降低产品实现的成本方面，具有其它技术 无法比拟的重要作用。2制造业建模与仿真技术的作用缩短研发时间和成本是建模与仿真技术给制造业带来的最 直接的效果。建模与仿真技术能通过现有的知识对产品实现过 程作岀可靠的预测，大大促进了产品设计、过程设计、过程运 行，甚至企业管理水平的提高。摆脱了以往设计-物理试验- 修改的产品开发过程，在产品设计阶段利用建模与仿真工具在 虚拟环境下优化产品和过程设计，大大缩短产品开发周期，降 低开发成本。例如，在飞机工业中，美国的波音公

7、司利用建模 与仿真工具，完全利用三维建模技术进行设计的波音777贲气式 客机，设计使用了数字化预装配和并行协同工程技术，无须建 立物理样机模型，大大减少了设计更改和错误量，确保了产品 质量，显著降低了成本，缩短了研发时间。根据美国科学研究院工程技术委员会的测算【6】,建模与仿 真技术可提高产品质量515倍，增加材料出品率25 % ,降低 工程技术成本13 %30 %降低人工成本5 %20 %提高投入 设备利用率30 %60 %，缩短产品设计和试制周期30 %60 % 等。3制造业的建模与仿真技术的特点从产品本身和企业运营管理来看，21世纪的建模与仿真技 术可以概括为“全设计过程”、“全加工过程

8、”和“全运营管 理”的三个全面的特点。3.1全设计过程产品模型将与所有相关的制造信息及企业信息动态相连、V熊光楞，等：21世纪制造业的建模与仿真技术? 1885 ?Vol. 16 No. 9Sept. 2004熊光楞，等：21世纪制造业的建模与仿真技术? 1885 ?熊光楞，等：21世纪制造业的建模与仿真技术? 1885 ?覆盖产品整个生命周期、跨越从微观到宏观各级粒度等。物理 模型之间可以进行完全的互操作，对性能设计进行多元分析， 形成协同建模和仿真。“全设计过程”的建模与仿真不仅包括产 品几何、静态、动态和产品的可制造、可装配等特性的建模与 分析，而且为了减少产品开发时间，降低开发成本，将

9、各种建模与 仿真集成起来。3.2全加工过程加工过程建模与仿真是构建加工实时运行时的具有运动和 动力特征的仿真模型，通过模型试验可直观地观察加工过程及 其物理特性如切削轨迹、切屑形成过程、应力场、温度场、变 形和振动等连续或瞬间的运动形态和特性参数。建模与仿真技 术可以通过描述某些材料加工工艺过程的数理模型及对数理方 程的简化求解，动态显示该工艺过程并预测过程的结果。“全 加工过程”的建模与仿真强调加工过程的多学科集成建模与仿 真，建立变形场、温度场、组织场耦合的材料加工仿真系统， 实现加工过程建模与仿真系统同生产系统集成，实时修复故障， 响应变化，实现生产过程的自动调整，提高适应性。3.3全运

10、营管理企业总体模型是将所有的企业部门和业务过程集成到一 起，并根据业务活动变化作岀快速的响应，设计及加工模型自 动集成到企业信息系统中，实现所有系统和过程之间能进行毫 无阻碍的互操作。“全运营管理”的建模与仿真技术包括根据企 业实时数据建立的战略决策模型、市场评估模型、风险评估模 型、风险回避模型、预测性成本模型等；包括建立全企业的资 源模型、资源管理模型、知识管理模型和供应链模型等。它的 最终目标就是使活动的企业模型成为一个企业控制器，可以控 制企业各项功能，实时监控运行情况，掌握每一步运行状态。4制造业建模与仿真技术的发展方向21世纪制造业的建模与仿真技术的应用范围已经扩大到产 品的全生命

11、周期、覆盖了企业全部的运营管理。因此，多尺度、 多领域、智能化、集成化的建模与仿真技术是未来极其重要的 发展方向。4.1多尺度连续建模与仿真技术目前的设计、加工、管理建模与仿真的一个主要缺陷是针 对某些特定的参数建立的，而不适用于更大范围。21世纪的建模与仿真将没有大小的限制，凡在可控范围内都可建模，达到 从微观到宏观的连续体建模，并且模型仍然保持精确性。在国 外，多尺度建模与仿真技术已在汽车及航天工业中得到应用。例如，金属在高温下的塑性成形是一个复杂的热力学过程, 成形过程不仅应力应变分布不均匀，并受温度和组织的不均匀 性、硬化和再结晶、应变速率等许多因素的影响，产品质量除形 状和尺寸精度要

12、求外，主要取决于锻件的内部质量和性能，这 就必然受到冶金和物理化学过程的影响 &7。因此，金属材料 加工仿真是一个从微观到宏观多机制综合作用的过程，首先必须 通过实验，有效地建立晶粒组织变化的数学模型，然后将变形 场、温度场和组织场耦合计算。多尺度连续建模与仿真技术利用计算机工具，逼真地描述 产品各个方面的相关内容，包括从产品材料结构的分子组成情 况，直至产品在制造过程和实际使用中的性能和相互作用等。 所有这些模型能够集成起来，共同构建覆盖整个企业的宏观模 型。4.2多领域协同建模与仿真技术R. Maghnouj认为，协同是一个共享创造力的过程：两个或 多个技术上互补的设计者通过相互交

13、流来产生一个共同的成 果，这个成果仅靠个人是无法完成的【8】。这个结论同样可以引 申到仿真领域。随着待研究系统复杂性日益增加，其内部涉及 到的学科知识也越来越多，学科间的约束与耦合关系也越来越 难以解释。现在的仿真工具可以很好的解决单领域问题，却缺 乏对涉及领域间交互的复杂仿真问题的支持，仿真应用之间的 协同需求日益强烈。岀于简单的仿真互操作需求，目前已经岀 现了 DIS、ALSP、HLA等协同仿真的技术和规范，但总的来看， 目前关于协同仿真方面的研究还很欠缺，已有的各种规范对协 同的要求都比较严格，刚性过大柔性不足。基于需求的牵引， 在现有技术的基础上，将会岀现更加完善的仿真开放互联的标 准

14、，以支持仿真应用之间的协同，共同完成复杂的仿真任务。现实世界中的复杂产品通常都是多领域的，一般是由不同 的工具设计岀来的属于不同领域的多个分系统组成。虽然现有 的仿真工具可以有效辅助产品某个功能单元的设计开发，能够 很好地解决大部分单领域的分析评估问题，但对于涉及到多领 域知识的复杂系统（整个产品或其某个复杂子系统）仿真支持 不够。随着产品规模和复杂程度的不断增长，产品设计过程中 涉及到的学科领域越来越多，分系统间的关系也越来越复杂， 仅靠传统的单领域仿真已经很难满足对整个产品或其某个复杂 子系统的功能/行为分析，仿真工具之间相互协同的需求开始逐 渐变得强烈。多领域协同仿真技术将面向不同学科领

15、域的仿真工具结合 起来共同构成一个统一的仿真系统，进行针对整个系统的仿真， 可以充分发挥仿真工具各自的优势，同时还可以加强不同领域 开发人员之间的协调与合作。协同仿真技术充分发挥了多领域 仿真工具的优势，体现了不同分系统间的联系，相对于单领域 仿真方式更具有系统性和合理性，仿真结果的置信度也更高。 协同仿真不需要拆散一个系统，使其全貌得以保持；使得对系 统的分析、设计和评价过程尽可能地接近人们认识系统的方法 和习惯；使得分析、设计、实现系统地方法学原理与人们认识 客观世界的过程尽可能一致。协同仿真技术的岀现和发展，将 会对复杂产品的设计过程提供更加强大的支持，从而促进产品 设计能力的提高。4.

16、3智能化自学习建模与仿真技术虽然建模与仿真技术已经广泛应用于各个领域，但是，现?1886?系统仿真学报Sept. 2004Vol. 16 No. 9?1886?系统仿真学报Sept. 2004?1886?系统仿真学报Sept. 2004有的仿真技术仍然还存在某些有待进一步研究与开发 。例如， 现在多数仿真模型主要采用数学模型，其描述能力有较大的局 限性；建立和验证精确的、可信的仿真模型，需要消耗大量人 力、物力和时间等；基于数学模型的计算机数字仿真技术，主 要用近似的数值解法，缺少知识推理、逻辑判断、学习训练、 联想识别等智能特性；仿真系统输岀结果，一般不提供关于结 果的解释，仿真模型的求解过

17、程通常对用户是不通明的，不便 解释如何获得仿真结果，评估结果的可信度。为了解决这些问 题，需要在人工智能与仿真技术相结合。智能化自学习建模与仿真系统根据自己的目标和外界的需 求，通过与其它模型和企业知识仓库相连接，能够基于一定的 规则不断改善自己。例如，在系统实时与各类信息(例如零件和 原料的可用性、车间生产能力、加工设备和单元的工作能力等) 系统相连接的基础上，使产品模型不断地对自身进行优化，即 模型在环境适用性和可生产性等方面得到优化。智能化自学习建模与仿真系统能够在产品实现过程中的每 一阶段向开发人员提供有力的帮助；同时，为了使模型尽可能 逼真地仿真现实世界，该系统尽可能吸收模型用户的知

18、识和经 验教训，根据科学原理知识进行自学习和调整。因此，智能系 统可以帮助设计人员逐步克服障碍、避免发生错误和优化设计 方案，极大地提高工作速度和质量。4.4集成化企业级建模与仿真技术21世纪制造业的仿真模型需要实现全面无缝互操作1-2。仿 真模型应具有很好的兼容性、重用性和扩充性，不需要对仿真 模型进行修改，能够通过自定义接口实现即插即用。当一个新 的模型要加入到系统中时，它不需人工协助就能与系统中所有 的其它的模型进行协商，有机地集成到系统中，实现模型的全 面无缝互操作性为了保持模型的准确性、为了实现模型的实时性和为了适 应业务的多变性，21世纪制造业的仿真模型将与企业信息系统 集成，实现

19、仿真模型与所有相关数据实时集成【低15。第一，在 完全虚拟的环境下对产品、过程和设备进行设计、优化及验证， 应用计算机和交互外设及软件来构建一个虚拟的企业生产环 境，使得参与者能如同在制造现场一样，与计算机上岀现的制 造过程进行自由交流；第二，形成一种新的、更高级的人机界 面，使能在虚拟的对象进行仿真的过程中，可以直接以人类的 感知能力，如亲临其境一样与虚拟的制造环境中的对象进行交 互作用。5结论21世纪制造业的建模与仿真技术的应用已经从单一的系统 走向开放复杂的大系统，其应用范围覆盖从产品概念形成设计 到制造全过程的“全产品设计”、“全制造过程”、“全经营 管理”，正在向着多尺度、多领域、智

20、能化、集成化的建模与 仿真方向发展。21世纪的建模与仿真(M &S)技术在改进产品 设计、加工和管理过程，缩短市场响应时间，以及降低产品实 现的成本方面，具有其它技术无法替代的重要作用，是21世纪先进制造领域必不可缺少的、将会被普遍深入应用的核心技术。参考文献：1 张峥嵘，袁清珂.21世纪制造业的特点及其关键技术J.成组技术与生 产现代化，1998, (4): 3-5.2 雷源忠.现代制造科学的新发展J.中国机械工程，1999, (2).3 李勇，李成志等.制胜21世纪美国21世纪综合制造技术发展战略综述R.北京先进柔性集成制造技术咨询公司，2002, 01.4 the IMTR Roadmapping Project Team. An Overview of the IMTR RoadmapsZ. IMTI, Inc. 20Q0 7, 24.5 凌维业，芮执元，杨萍.计算机仿真在制造业的应用与发展J.机械研究 与应用,2001,1: 26.6 柳百成.21世纪的材料成形加工技术J.