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随着技术的进步，无论是民用消费市场还是工业消费市场，各种新产品的上市周期正在不断缩短，客户对产品更新换代速度的需求也越来越强烈。对于很多企业，缩短从研发到上市的时间周期变成了一个必须面对的巨大的挑战。但是企业长期在此模式下运转，意味着人力物力的巨大投入，高强度的工作状态也带来了员工离职，创造性下降等一系列负面影响。如何能够持续稳定地缩短上市周期，保持市场竞争力，是每个企业都必须认真研究的课题。在这样的市场需求下，数字化仿真技术恰如其时的出现，为人们提供了切实可行的解决方案。
1、数字化仿真的定义和范围
数字化仿真是指以数字化方式拷贝一个物理对象，模拟对象在现实环境中的行为，对产品、制造过程乃至整个工厂进行虚拟仿真，从而提高制造企业产品研发、制造的生产效率。在西门子，它被称之为数字化双胞胎(digital twin)。
传统的生产研发中心中，新产品从研发到上市通常使用里程碑式项目管理方式，通过多次试产，改进的循环不断消除产品设计问题，达到量产条件。在这种传统的方式中，整个周期长达数月至数年，每一次的设计变更都会造成巨大的费用和时间消耗。
为了解决这个问题，新的研发制造思路开始得到思考和验证。其中，数字化仿真已成为制造企业迈向工业 4.0 的重要解决方案。它可以支持企业进行涵盖其整个价值链的整合及数字化转型，为从产品设计、生产规划、生产工程、生产实施直至服务的各个环节打造一致的、无缝的数据平台，形成基于模型的虚拟企业和基于自动化技术的现实企业镜像[1]。数字化仿真主要由产品仿真、生产工艺流程仿真和设备状态仿真 3 大部分组成。
对于产品仿真，目前广泛使用的软件有 NX UG，Mentor Graphics, Polarion ALM，Simcenter 等，主要侧重于产品结构 3D设计、电路设计、软件设计和产品功能模拟，结合 VR，AR 等硬件设备，可以通过虚拟环境实现身临其境的体验感受。结合3D 打印技术，则可以快速制作产品模型。
对于生产流程仿真，应用软件有 line designer, plant simulation 和 process simulate。主要侧重于工厂生产环境的设计，可以分为从宏观到微观的 3 个维度：
1)工厂仿真：主要针对工厂的整体布局优化，物料流优化，未来工厂设计;
2)价值流仿真：优化工艺设计，减少半成品，优化搬运路径，减少等待时间;
3)生产线体仿真：创建新生产线，选择合适的生产形式(全自动、半自动、手动线体)，对生产线的线体平衡优化，瓶颈工序识别。分析产品在生产加工过程中的移动距离优化和人员动作的优化。
对于设备状态仿真，在软件端可以自动连接设备中的工业控制电脑(PLC)，并为其快速配置参数并与主控单元进行通信，搭建工业网络平台。通过软件，可以实时追踪设备运行状态，并进行预防性维护。
2、数字仿真技术的优势
2. 1 加快产品研发上市周期
相对于传统研发试产验证过程，仿真软件使产品设计缺陷和可制造性在项目前期就可以得到充分的讨论，并在虚拟环境中进行验证。通过 NX 软件，可以制作产品的 3D 图纸，并根据需求进行各种角度和剖面的观测，充分讨论产品的可制造性。使用 Plant Simulation 软件可以在电脑端提前创建产品生产线，选择设备和各种工装，然后直接发送给供应商进行加工制作，减少了设备后期调整的风险。
2. 2 为客户提供多种定制化产品
在软件端进行设计，用 3D 打印制作样品，使样品制作成本大大降低，周期大大缩短。研发人员可以做到一次性提供多种设计方案给客户，或者根据需求持续不断的修改设计方案，而无须考虑重新制作模具以及预定样品的费用。
2. 3 在项目前期发现质量问题
通过 NX 软件设计的产品 3D 图纸可以很容易地对产品的关键尺寸进行测量，并发现其中的尺寸干涉等问题。通过Mentor Graphics 软件可以完成电子电路的设计、模拟和优化。通过 Simcenter 软件可以模拟出产品的机构强度、散热等性能表现。通过 Polarion ALM 软件可以开发，模拟，验证和管理产品的软件部分。由此可见，通过仿真软件，绝大部分问题在电脑端即可以一览无余。
2. 4 生产效率最大化
使用 Plant Simulation 软件可以对占地面积、物料摆放、产品运输进行动态优化，将精益生产的理念以数字化的形式进行呈现，提前发现并减少浪费，提前发现瓶颈工序并进行线平衡优化。
3、数字化仿真技术的应用案例
3. 1 流水线载具数量模拟
在自动化工厂，流水线载具的数量是搭建一条自动化生产线必须考虑的问题，传统的方式是通过工程师经验，按照产线传送速率和生产线整体长度来进行估算。这样的方式并不准确，过少的载具意味着单位时间产品产出数量少，导致生产线利用率不高。过多的载具则会耗费更多的费用，并出现产线拥堵。在获得产线相关参数后，通过使用 Plant Simulation 软件进行模拟，可以看出在不同载具数量的情况下单位时间内产品产出数量的变化。在一条新产线的设计过程中，根据经验算出来的载具数量是 100 台。但是根据仿真软件计算，载具数量达到 85 台时，产量出现峰值。在此数据之前，随着载具数量的增加，产出逐步提升。在此数据之后，增加载具数量，产出变化量不大。继续增加数量，则会出现由于线体阻塞而发生产量下滑的状况。
3. 2 操作人员数量模拟
生产线配备合理的人员数量才能达到效率的最大化，如图 1 所示产线，虽然将人数由 2 个增加到 3 个(见图 1)，单位小时的产出数量可以从 880 个上涨到 1200 个，但是通过仿真可以看出，第二和第三个作业员的工作效率都不同程度地出现了下滑，无法达到两人配置时的效率水平，因此，增加人员数量会导致效率损失，无法达到最经济生产状态。
图 1 生产人员数量(左下图：2 人;右下图：3 人)与生产效率之间的关系
3. 3 设备设计模拟
传统的产线设计需要使用纸箱、线棒等辅助材料在实验室搭建虚拟环境，并邀请工人来现场进行模拟操作检验设计是否合理。这种方式耗时耗力，而且模仿精度不高，很容易导致真实线体在实际使用中进行再次修改。使 用 Process Simulate 软件可以将完整的产线，设备的 3D 尺寸输入其中，并在电脑端进行产线设计，设计精度可以达到和真实场景100%匹配。通过 VR 等硬件设备辅助，操作人员可以身临其境地体验产线操作和移动，基于人机工程学提出自己的反馈。供应商根据软件的设计结果直接进行加工，大大缩短了加工周期和减少了设计风险。
3. 4 更多应用
其他应用场景还包括使用仿真软件设计自动搬运机器人最优移动路线;通过虚拟跌落测试来修改产品外形设计、增加强度;通过虚拟排产来测算出最优排产策略，提高设备利用率等。
4、结语
由此可见，数字化仿真技术在研发制造型企业中的使用场景非常丰富，也切实带来了许多实际的好处。在企业的数字化转型过程中将发挥巨大的作用，使企业通过灵活高效的方式，快速推出产品，持续保持市场竞争力。正如西门子工业软件大中华区 DER 总经理戚锋博士所述[2]：“全球制造业挑战不断加剧，制造企业急需转型，数字化双胞胎模型能够帮助企业应对发展难题。它的实行是虚拟与现实相互促进的过程，谁驾驭了这个过程，谁就将占领市场先机。
本文原刊于《工程建设与设计》 作者 邵康文，崔佳宁，刘原，靳怡
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