2016年12月1-2日，为期两天的2016年（第十二届）产品创新数字化国际峰会在长沙圆满闭幕。本届峰会以“智能制造时代的产品创新变革”为主题，由中国电子学会、中国机械工程学会、湖南省经济和信息化委员会指导，e-works数字化企业网、长沙智能制造研究总院主办，湖南省电子学会、湖南省机械工业协会、湖南省机械工程学会、中国汽车工程学会车身技术分会、湖南省软件行业协会协办。会上，ANSYS北区技术经理袁勇先生发表了主题为《数字化制造与数字双胞胎》的演讲。本文根据演讲内容整理而成。
图1 ANSYS北区技术经理袁勇
我们正处于快速改变的商业环境
这个时代充满了变数，各种事物都在改变，唯一不变的就是变革。在现今的市场上，没有一家公司能够通过以相同的营销和相同的利润交付相同的产品而永久成功。这里有一组数据：从1955年存活至今的世界500强公司仅有61家；1955年，500强公司预期寿命：75年；2016年，500强公司预期寿命：15年；现实很残酷，但好的一面就是有更多优秀公司不断涌现。面对快速变革的环境，我们需要特殊的眼光来发现机会，需要极大的勇气克服各种各样的困难，也需要成熟的团队来确保成功。要做到以上三点，创新和计算必不可少，创新激发活力，计算则可以验证创新，因此大变革时代，对创新的要求和计算的需求越来越大。
创新的机会在哪里？
我们现在即将迎来第四次工业革命。第一次工业革命以蒸汽机的发明为标志，第二次以电的广泛使用为标志，第三次则是计算机，未来就是工业4.0，整个以智能化为基础的工业变革，工业4.0有很多特色，区别于前几次工业革命。
- 互操作性：人和机器的相互连接、互动
- 信息透明度：创建物理世界的虚拟副本来研究整个真实物理世界
- 技术辅助：能够帮助人类的机器
- 分散决策：可自主决策的网络物理系统
工业4.0里有很多关键词，像物联网（IoT），大数据，增材制造，数字双胞胎，云，仿真等等。仿真可以说是整个工业革命的基础之一，扎根于每一个工业过程，来推动整个工业革命的进展。工业4.0预计未来15年为全球经济增加14.2万亿美元，这就是创新的机会所在。
工程仿真如何进化，以帮助捕捉这些机会？
工业4.0里面有很多技术热点，像机器人、工业物联网、云、系统集成、仿真等等，这些技术都会相互影响，相互进行化学反应，催生出各种各样新的技术、新的机会。其中，仿真技术一直在不断变革、不断进化，帮助我们各位工程师、各大企业来具备能够抓住机会的能力。那么工程仿真如何进化，以帮助捕捉这些机会的呢？
类似工业革命，仿真也从开始的1.0，正进化到4.0。在1.0时代，对单独物理场进行仿真，仿真目的主要是在设计阶段进行一些验证和确认。到了2.0时代，出现了多物理场仿真，但还是局限于在验证和确认阶段。后来仿真逐步扩展，贯穿了整个产品设计迭代过程，覆盖了产品需求、系统设计、鲁棒性设计、变更管理、验证确认等环节，在这些环节里面都用仿真来解决问题，我们称之为“仿真驱动研发（SDPD）”，这就是3.0时代，但这在整个产品生命周期里面仍处于设计阶段。到了4.0时代，我们会把仿真与制造工艺和数字双胞胎更紧密结合起来，把仿真推动到制造和运行阶段，贯穿产品的整个生命周期。
图2 工程仿真的进化
同时，仿真用户的使用模式也在发生变化：
第一个重大的趋势就是越来越多的工程师将会使用仿真技术，以前使用仿真的可能只是仿真工程师，我们有问题交给他们进行仿真验证，但是现在越来越多的设计工程师也在做，包括CAD工程师也需要用到仿真，预计2020年所有工程师都会用上仿真。
图3 仿真用户越来越多
第二个重大趋势：越来越多的企业会部署并使用高性能计算，执行更大规模的计算，仿真更多的场景。以前一台计算机算不动，现在用多台计算机一次就可以算各种各样的场景，来模拟真实的世界。
第三个重大趋势：除了具体的仿真验证工作以外，还要进行更详尽的分析，从部件到系统，以准确表征现实世界的物理模型。
这是仿真用户的使用模式方面的变化，他们的需求推动了仿真软件的变革。
ANSYS仿真平台进化战略
2015年ANSYS公司推出了AIM软件产品——在沉浸式用户环境中，可以实现多物理场仿真，使用非常简便。今年8月份中国用户大会上，做了一个尝试，对所有没有用过软件的工程师进行半个小时的培训后，他们就可以上手进行操作，完成实际的案例作业。AIM能够提供结构仿真，流体仿真，热仿真，还有电磁波仿真，在AIM软件环境里，将多物理场仿真变得非常简单。即使你从来没有接触过仿真，掌握AIM软件也只需要很短的时间，AIM把仿真软件使用难度进一步降低，软件里内置了很多模板，并将很多工程经验固化在里面，不需要懂算法以及求解的原理，只需要掌握软件的基本操作。当然，AIM的功能还不像ANSYS Workbench那么强大和全面，因为其定位就是把仿真工作层次化，仿真专家用更专业强大的工具，他们解决复杂的问题，并定制一些仿真标准，而更多的人是用更简便的工具，用专家的经验解决设计中的一些问题，这就是AIM的价值所在，它把仿真扩展到整个设计里面每一个工程师，让使用门槛进一步降低。
但ANSYS并不是简单推出这样一个软件，我们也在进行仿真平台的战略化部署，我们有这样一个很大的愿景，如图4，横轴代表整个产品的生命周期，纵轴代表我们所有的用户，如今的仿真市场就是开发设计阶段专门的CAE工程师使用仿真软件，未来进一步扩展，扩展到制造阶段，实现了完整的仿真驱动研发，一直涵盖了从设计到运行整个生命周期，这依赖很多关键技术，比如机器学习，数字双胞胎，也依赖于这个软件能否更易用，有更多灵活的选项，甚至包括定制化的APP。在另一个维度，仿真将扩展到相关的所有工程师。
图4 ANSYS战略愿景
ANSYS具有非常全面的仿真产品，ANSYS现在覆盖产品的五个仿真基础学科：流体动力学，结构力学，电磁学，半导体、以及嵌入式软件，在这基础之上，进行多学科协同，一方面可以实现多物理场仿真，另一方面可以做整个系统的仿真。在ANSYS软件架构下，可以实现从软件到硬件，从芯片到整个执行机构完整的仿真分析，我们称为全面仿真平台。这个平台目前已经实现了，我们觉得这还不够，我们需要实现完整的工艺流程全面覆盖，包括从需求分析，需求定义到整个功能的仿真。
图5 最全面的仿真产品，可分析和优化完整系统的性能
现在有ANSYS专门的系统软件SCADE System做功能和需求的分析和定义，然后再做行为级的仿真，此仿真依赖于需求分析得到的系统建模语言来进行一些初步仿真。有了这个仿真后，我们可以定义出具体的设计指标，进行电子电气系统、三维物理结构、嵌入式软件等具体子系统与部件的设计，之后把所有的部件进行虚拟装配，实现完整的系统级虚拟原型，对整个系统进行虚拟的验证和集成，这需要把所有的仿真结合起来。最后进行测试，将仿真与真实的部件去进行交互，从而实现了整个工艺流程全面覆盖，这就是ANSYS基于模型的系统工程（MBSE，Model Based Systems Engineering）实现完整的仿真驱动产品研发（SDPD，Simulation Driven Product Development）的平台。
图6 ANSYS MBSE实现完整的SDPD
下一步要做的就是把这个平台的开放性和定制化进一步扩展，连接仿真与整个工程的业务。因为各企业在应用的软件不光是ANSYS，还有其他很多软件，所以仿真平台需要更多的开放性。ANSYS推出了一个APP商店，使用者可以在商店里在线购买APP，同时还有专门的定制化工具，开发者或使用者都可以把设计流程和设计经验固化下来形成一个APP，把自动化进一步加强，输入一个参数后面就可以得到很多想要的结果，把十几步的操作用一个按钮代替，进而可以把企业的设计经验变成可以推广的一个程序去推广，挂在APP商店上进行分享或者销售。另外平台的开放性指的是和第三方工具，和外部数据有很多互通接口，另外和整个业务流程，像需求管理（RM，Requirement Management），服务生命周期管理（SLM，Service Lifecycle Management），产品生命周期管理（PLM，Product Lifecycle Management）、应用生命周期管理（ALM, application lifecycle management）等等进行结合，形成整个业务流程的完整环境。
图7 ANSYS仿真平台：开放和可持续的架构，适应工程需求和IT战略
ANSYS仿真平台可以广泛应用于设计的方方面面，帮助我们实现更好更快的创新。第一，可以进行全方位的仿真，系统&多物理场仿真和数字双胞胎&大数据的仿真，第二，这是一种可伸缩的解决方案，从桌面用户到云端、私有云、以及公有云，还包括了从流程管理，数据管理在内的仿真。第三，这是一个可扩展的生态系统，我们有很多合作伙伴网络，还有客户群以及定制化APP。通过这个平台，可以定制和自动化专属的工作流程，包括定制化的工作流程以及新上线的APP商店。目前已经超过300个APP，大家可以到我们网站上去查看，下载和使用。
图8 ANSYS仿真平台：最广泛采用的仿真平台，助力更好、更快地创新
仿真进化推动工业革命
我们希望仿真领域的变革能够推动工业革命的发展，帮助企业进行创新。在这个变革的时代，制造卓越产品的要求正在推动大规模定制，并要求大大缩短开发周期，现在的产品可能只需要少量的定制，未来产品将需要超大规模的定制，需要针对特殊的用户进行专门设计。面对这样的需求，仿真不再是一个优势，而是基本必备的条件，会覆盖到整个设计流程里面。
以复合材料为例，加工制造是用增材制造（俗称3D打印）还是传统方式，有很多需要研究，因为它的应用场景不一样，对性能的要求就不一样，我们希望针对不同应用场景专门进行设计，达到更好的付出和收益比，针对复合材料，ANSYS平台可以从成型、注入、固化，结构分析等进行全方位，多尺度的仿真。
图9 示例：复合材料制造中的3D物理仿真
大数据是一个非常热的话题，ANSYS现在正在做的一个产品叫做SeaScape，将大数据和仿真的力量结合在一起，用于IC的设计分析和优化，可以十倍地降低周转时间，对整个晶圆进行优化，进一步降低生产的成本。
图10 大数据和仿真的力量结合
数字双胞胎将是一个非常重要的概念，数字双胞胎的基本原理是现实世界里面的物理原型，希望在虚拟世界里面有一个虚拟原型，就像漫画里面经常说的平行宇宙一样，存在于另外一个空间，它是虚拟的，但是可以通过工业物联网，通过云，与实际产品相互交互数据，来实现更好的分析与洞察，GE在这方面走在了时代的前列，他们把整个业务的重点放到了工业物联网领域，这是未来重要的技术方向。
利用数字双胞胎如何改变设计呢？传统机械智能化后就能够获取很多数据，主要是通过部署在上面的传感器，传感器得到这些数据可以传送到IoT平台，一旦发现有异常情况，会把数据反馈给数字双胞胎，在仿真环境里进行一些虚拟试验，仿真结果反馈给IoT平台，然后再推送给智能机械告诉它下一步应该进行什么样的操作。
图11 ANSYS仿真平台用于开发和操作智能与连接产品
GE的Predix平台就是与ANSYS合作，这是一种基于工业物联网云的平台，它将每一个设备当前的状态进行建模，进行基于物理的分析，使它存在于虚拟的环境里，需要的时候就可以从虚拟环境里面调出存在云端的数字双胞胎。数字双胞胎的实际应用从设计角度看，这是虚拟的；从运行角度看，它们之间是通过传感器和工业物联网进行数据交互和互连，进而提供运行决策和设计决策。
图12 数字双胞胎的实际应用
图13所示为GE、PTC和ANSYS联合做的一个Pump数字双胞胎案例模型。PTC的ThingWorks工业物联网平台主要承担大数据分析，历史，出发，安全，互连等工作，ANSYS软件可以提供三维物理场模型与软件操作界面模拟，包含从系统到部件，从硬件到软件完整的数字双胞胎，在现实环境里面就是真实的Pump产品，上面集成了很多传感器，它们之间可以通过工业物联网平台进行数据交互和互联。数字双胞胎的存在可以更好地洞察产品性能，为下一代设计奠定了很好的基础。
图13 PUMP案例
可以说仿真是帮助我们将“绝妙点子”转化为“伟大产品”的重要手段，企业有许多聪明且积极的人才，这些人才能够想出许多绝妙的点子，我们希望这些绝妙的点子可以变成创新性的产品和服务。在实际产品生产之前，仿真可以在虚拟世界中将想法培育并发展成熟，如果没有仿真手段，有的想法将因为太困难或太昂贵而难以进行探索，拥有了仿真，意味着可以在概念阶段就可以全方位彻底地探索好的想法。
本文根据ANSYS北区技术经理袁勇先生在第十二届中国制造业产品创新数字化国际峰会的演讲内容整理而成。已经本人确认。
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本文标题：仿真进化推动工业革命
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