智能制造难点是模型，焦点在仿真

    中国讲两化融合，第一个化是工业化，英文的Industry Technology就是工业技术，由于中国的工业技术和世界先进水平差距较大，因此我们要补工业化的课；第二个化是信息化，Information Technology中文叫信息技术，因为有华为这样的世界一流的公司，可以说中国的IT技术和世界是接轨的；实际上，信息技术和工业技术的深度融合就是两化融合。两化融合内容非常丰富，按照中国制造2025的部署，就是创新驱动，提质增效，绿色发展，两化深度融合为主线，智能制造为突破口。

    智能制造的基础是网络化和数字化，网络化连接人、机、物，也就是物联网或者叫工业互联网，也有叫第二代互联网的。提起数字化就离不开数字模型和过程仿真，本文主要论述数字模型和过程仿真。当然，数字模型是仿真的基础，过程仿真是我们航空航天大规模应用几十年以来特别擅长的领域，也是取得巨大成效的领域。

    数字模型有两类，一类是工程模型，另一类是管理模型。工程模型也分为两类：其一是产品模型，其二是产品研制过程模型。这里我们重点讲产品模型和过程仿真。CAD（Computer Aided Design）技术是建立模型，CAE（Computer AidedEngineering）技术就是模型的确认，也就是过程仿真。CAE的发展一直随着计算机的硬件、软件、操作系统、数据库的发展而壮大。工业技术无非就是三大类，设计、制造和试验，从我们的产品需求和市场调研开始，就可以做仿真，下来做方案设计的时候当然也要做仿真，做方案的特点是方案不只一种，要用多种方案来做优化设计，要做大量的仿真对比，然后进入工程研制阶段的设计、试制、试验过程，再进行工程研制完成以后的设计定型，生产定型，批量生产，产品交付，最后到服务保障。整个工业体系中，仿真必不可少。

    传统的工业体系是物理或者叫实体（PHYSICAL）,基于物理的原型和模型，设计制造试验，试验的时候检测产品的功能和性能若是满足不了要求，就扔掉，再来一遍，这就是典型的以爱迪生为代表的传统工业体系的试错法。当进入了现代工业社会，就要在CYBER空间用模型表达， CAD做机械系统和电气系统，流体模型和过程模型，当然，管理也有模型，如人力资源模型，财务模型，统计模型，质量模型。有了模型，才有了美国机械工程师学会（ASME）提的Y14.41的标准，也就是 MBD（Model Based Definition）的标准——基于模型的定义，后来美国又提出MBE（Model Based Enterprise）——基于模型的企业。这样就完整了。一个企业，它既有产品又有管理，这就是打造一个全数字化的企业。还有我们的系统工程，过去的系统工程现在提升为MBSE（Model-Based SystemsEngineering）——基于模型的系统工程，当然基于模型的系统工程之上还有架构设计如企业架构等等。

    我们在CYBER空间中，有了完整的数字模型，进入CYBER PHYSICAL SYSTEM（CPS），直接从数字样机映射成物理产品。当然，我们试验方式有了一个转变，原先的试验方式，100%的实物模型，做实物仿真，或缩比模型，随着发展，实物仿真太贵了，怎么办，半实物模型，缩比模型，半实物仿真和半物理仿真。随着我们未来的发展，一定是基于全数字模型的虚拟仿真，现在很多产品已经不要物理模型了，设计制造试验实现全模型化。

    讲到智能，必须考虑人的问题，世界万物，只有人有智能。第一次第二次工业革命解决什么问题呢，蒸汽机也好，电动机也好，解决的是机器取代人体。第三次第四次工业革命呢？电脑和现在的工业4.0，它取代的是人的脑力劳动。我们要建设的工业体系，一定是人、机、物交互与深度融合的一个体系，其核心是CPS。

    如何建立新的工业体系呢？首先，是在CYBER环境中，完成产品的一系列流程：概念设计，方案设计，初步设计，详细设计，产品的分析仿真，工艺设计，工艺仿真，工装设计，工装仿真，装配设计，装配仿真，最后形成完整的产品数字样机。在计算机上建立的虚拟实验环境中，不断地找出产品设计的问题、工艺的问题等等，然后改进计算机模型。第二方面，是再映射实物的试验过程，这个不就是CYBER PHYSICAL SYSTEM吗？这就是完整的CPS架构。但需要说明的是CPS可小可大，小到一个智能化小产品PLC处理器，大到整个地球，都可以用CPS来形容，这个智能系统一定是人机物关联的一个系统。

    1997年9月，钱学森给清华大学工程力学系建系40周年贺信中写道：随着力学计算能力的提高，用力学理论解决设计问题成为主要途径，而试验手段成为次要的了。由此展望21世纪，力学加电子计算机将成为工程设计的主要手段，就连工程型号研制也是用计算机加形象展示，称为“虚拟型号研制”（Virtual Prototyping），就是我们现在说的数字样机（DATAPROTOTYPE）。

    如液压虚拟铁鸟的研制。首先用机械CAD和CAE设计了铁鸟的结构样机，用电子CAD和CAE设计了铁鸟的控制系统数字样机，由液压系统CAD、CAE形成液压子系统的数字样机，把控制数字样机和液压数字样机装配到结构数字样机上。这三个样机，结构、电子和液压，形成一个完整的全飞机液压系统的数字样机。这个数字样机和物理液压试验的台架、试验数据做关联性分析，最后形成了一个液压的虚拟铁鸟。这个系统完成后，在其上作虚拟实验，可减少20%的物理试验成本。实际上在下一代飞机中，虚拟铁鸟技术已经推广到了飞控系统、电气系统、电子系统、机械系统和飞控系统中。这就是过程仿真的力量。

    我个人认为，仿真的发展刚刚开始，这个行业是朝阳行业，其目标是：缩短产品周期，降低产品成本，提高产品质量。未来的研制方式，就是仿真驱动的设计、研制方式。

    通过对数字样机的仿真分析和虚拟试验来指导、简化、减少、替代部分实物试验，从根本上说，就是要解决计算的数字模型和分析是否正确，是否反映真实产品的特性，这就必须通过大量的科学的验证试验并形成数据库、模型库，从而改进并保证产品设计和分析的正确性。