仿真技術，制造業升級的密碼
http://www.gjzbw99.com 2021-04-02 14:08 來源：中國電子報
從Made in China（中國制造）到Innovation in China（中國智造），中國制造業正在加速轉型升級，生產模式趨向數字化、智能化。近年來，高端工業軟件，尤其是仿真軟件的呼聲越來越高。仿真與制造業的碰撞究竟會激起怎樣的火花？“智能+”時代，制造業又將如何“攜手”仿真技術打破困局，加速邁向高質量發展？
3月27日，中國仿真技術產業聯盟在京成立。
仿真技術是制造業創新之源
何為“仿真技術”？《墨子·公輸》中記載，魯班將云梯改制成凌空而立，用來攻城。墨子特意趕到楚國，通過模擬攻防勸說魯班，這就是著名的“止楚攻宋”。這里提到的模擬攻防就和仿真的內涵非常相似。通過實驗的形式建立仿真模型，對真實情況進行還原與測試，從而減少研發、測試、制造等環節的成本與難度，提供決策依據，這就是仿真。
“智能+”時代，新一代信息技術正在加速與制造業的深度融合。從現代制造企業的角度來看，產品生命周期逐步縮短，技術結構、應用場景卻變得越來越復雜。為了滿足提高效率、加速轉型，他們不得不尋找新的出路。仿真技術為制造企業提供了能夠覆蓋產品論證、研發、試驗、制造、維護、輔助決策及人員訓練等各個階段的全生命周期解決方案，成為制造業數字化轉型升級的重要技術手段。
據專家介紹，仿真技術的最大功用就是把整個制造過程轉移至虛擬環境中進行“重現”，讓一切工作都可以在制定決策和確定成本前完成，極大程度地降低了制造企業的試錯成本和安全風險，縮短了市場響應時間。比如，過去設計制造一臺汽車，要經過反復的碰撞試驗，在碰撞中毀掉數輛真車，研發時間動輒幾年，而現在有了仿真技術，只要在軟件中輸入數據，各種碰撞結果就能迅速計算出來，安全又高效。再比如火箭、飛機、航母這些高端制造品的研發、制造與測試，動輒需要耗費巨資，根本無法在真實場景進行物理實驗，仿真技術則為其提供了更優選擇。
高端制造是工業化發展的高級階段，是具有高技術含量和高附加值的產業。而仿真技術可以說是制造業的創新之“源”。通過建模實驗，制造企業可以在虛擬仿真環境中反復探索最佳結構和配置方案，這個過程看得到，而且可以同步提供更多的結果參數，從而不斷實現產品的改進、優化與升級，這也為制造技術的突破與創新注入了動力。
在高端制造領域應用場景廣泛
伴隨著物聯網、大數據、人工智能等新興技術的發展與融合，仿真技術的應用場景也在不斷地豐富和拓展。特別是大中型離散型制造企業，包括航空航天、國防、汽車、裝備制造、電子高科技等行業企業，對仿真技術的應用范圍持續拓展、深化。
航天云網總經理、中國仿真技術產業聯盟常務副理事長柴旭東在接受《中國電子報》記者采訪時指出，航天制造領域涉及機電液控等多學科專業仿真分析、半實物仿真分析、虛擬樣機系統仿真和體系仿真等，是仿真技術應用極為廣泛的一個領域。據他介紹，航天產品是典型的復雜產品，目前基于模型的設計生產一體化、基于虛擬樣機的總體與分系統協同設計等已成為航天數字化研制的重要模式，對航天產品降低研制成本和周期，提高質量，確保飛行試驗成功率等發揮了重要作用。
在軌道交通裝備制造領域，仿真技術仿真分析基本貫穿在軌道車輛產品研發的方案設計、技術設計、施工設計、試制研證及確認等整個階段，成為不可或缺的一環。中國中車科學家、國家高速動車組總成工程技術研究中心主任丁叁叁對《中國電子報》記者介紹道，以復興號研發為例，研發團隊最初設計了46種頭型概念方案，構建了多個全工況高速列車空氣動力學仿真模型，經過氣動阻力、氣動升力、側向力及隧道效應等18類、上百次仿真計算，才確定7種備選頭型，然后又結合風洞試驗和動模型試驗進行方案驗證與多目標迭代優化，最終確定“飛龍”頭型方案。線路實測表明，復興號以時速350千米運行時，整車運行阻力64kN，與既有的和諧號系列相比，降低了12%，往返一趟京滬可節省5000度電。
此外，仿真技術在汽車制造領域的發展前景也被普遍看好。上汽大眾汽車有限公司產品研發執行總監吳慶文表示，用仿真技術逼近物理試驗的結果，逐漸取消試制樣車是仿真技術給汽車制造領域帶來的最大改變之一。“我們已經在幾個車型項目上做到完全取消試制樣車。”
他還向《中國電子報》記者分享了一個親身經歷的故事：“以前我們在黑河做除霜實驗，冬天零下25度的溫度，把花費6個月制造的樣車放室外凍一個晚上，再往玻璃上噴水霧凍1個小時，然后讓駕駛員啟動車輛，不踩油門，把暖風開到最大。我們圍著車觀察玻璃上的除霜過程，過程中一旦發現問題還得從頭再來一遍?，F在通過仿真手段模擬這個過程，不必造樣車，不必等到冬季，還可以在短時間內驗證幾十種不同的方案，不僅費用節約77%，而且發現問題馬上就可以改，基本只要一天就能改好。”
事實上，伴隨制造業的轉型升級，仿真技術也在發生日新月異的變化。柴旭東指出，特別是隨著工業互聯網的深入推進和與仿真技術的深度結合，基于工業互聯網的云仿真應用，虛擬樣機/數字孿生應用、自主工業仿真軟件、仿真產教融合以及仿真產業將是重點發展方向。而這些新方向也將為仿真技術帶來更多的細分應用場景。
仿真技術應用普及還須提升
中國仿真學會副理事長、清華大學自動化系教授范文慧在3月27日召開的“2021中國仿真技術產業高峰論壇”上分享了一組數據：“2014年全球仿真產業市場約每年1500億美元，2012年中國仿真產業市場規模至少每年約900億元。”
從國內仿真產業市場規模來看：民用市場中，國外公司市場優勢明顯，占國內仿真市場大約70%；國內公司規模小、數量多，多以代理和系統集成為主，自主知識產權含量不高。在國防軍工、航空航天以及其他尖端核心技術等軍用領域，國外公司受限很大；擁有國防軍工資質的、具有一定自主創新能力的國內廠商具有相當優勢。此外，在國內仿真市場，仿真產品用戶本身也是潛在競爭者，傳統軍工企業更傾向于“自給自足”仿真產品和服務。
在范文慧看來，盡管仿真技術近年來在國內發展迅速，但依然存在行業競爭水平一般、市場開發面窄、技術創新缺乏、產品服務市場開拓差等諸多問題。相較于歐美國家，我國的仿真市場起步晚、規模小，研發水平相對滯后，市場發育度也比較低。
從國內制造業發展情況來看，我國制造業已經搭建起完整的制造業體系和制造業基礎設施，在全球產業鏈中具有重要地位。但行業關鍵系統軟件自主能力不足，核心技術與創新能力不夠，整體發展水平參差不齊。尤其作為智能制造的重要基礎和核心支撐，工業軟件卻仍處于“管理軟件強，工程軟件弱；低端軟件多，高端軟件少”的階段。仿真技術在制造業的應用普及度與深度還遠遠不夠。
同時，柴旭東還指出，國內制造企業，尤其是中小型企業，數字化戰略與路徑不夠清晰，懂專業和掌握仿真技術的復合型人才缺乏，以及各類仿真工業軟件應用普及不夠是當前仿真技術與制造業深度融合面臨的主要難點和挑戰。
仿真技術迎來巨大發展機遇
《中國電子報》記者在天眼查上搜索發現，截至3月29日，國內做仿真軟件業務的公司大約有7000多家。根據成立時長來看，近兩年成立的仿真軟件相關公司多達4500多家，約占總數的65%。此外，我國還有一批深耕仿真技術的科研院所與高校，比如中國工程院、中科院、清華大學、北京航空航天大學等?？梢?，仿真技術在中國市場播下的種子已經萌芽。
當下，我國制造業正處于邁向智能化、數字化的關鍵階段，數字孿生、數物融合、人工智能、物聯網等新興概念的落地，背后都離不開建模與仿真的支持。伴隨新一代信息技術的爆發，仿真也迎來了巨大的發展機遇。越來越多的企業和機構意識到，仿真產業技術壁壘高、發展周期長、市場空間大，僅靠某一家企業或機構的力量遠遠不夠，因此，抱團協作、共贏未來才是最佳選擇。
未來的路怎么走？值得關注的是，國內一批從事仿真技術、智能制造、工業軟件研發相關行業的企業、機構及高等院校已經成立了中國仿真技術產業聯盟，致力于把仿真產業上下游產業鏈成員匯聚在一起，為產業合作交流、協作機制建立提供了平臺。日前，該聯盟在京召開“2021中國仿真技術產業高峰論壇”。來自各行各業的專家圍繞仿真技術未來發展路線進行了深入探討。
“標準是引領企業應用數字化仿真加速轉型升級的關鍵抓手。” 國家工業信息安全發展研究中心交流合作處副處長李君在論壇上談道。我國制造業對數字化仿真的分類、分級、缺乏統一規范，不利于其深入應用和進一步發展。因此，她認為應該大力推動面向制造業的數字化仿真系列標準的研制及立項，通過標準引導產、學、研各界正確認識各類制造業數字化仿真，逐漸提升仿真水平。
不僅是標準，范文慧建議應該通過制定產業發展政策、鼓勵國際交流合作、完善人才培養和獎勵機制等多種措施來推動仿真與制造業的深度融合，把握“需求牽引系統、系統帶動技術、技術促進系統、系統服務應用”的仿真產業發展規律，逐步形成能夠滿足社會經濟發展需求的世界先進、自主安全、軍民融合的仿真產業能力。
“一場科技革命與產業變革已在全球快速展開。”中國工程院院士李伯虎表示：“新時代、新形勢、新需求下，特別需要加快實現自主的數字化、網絡化、云化、智能化技術、產業、應用的一體化發展。要加快新建模仿真技術、新信息通信技術、新人工智能技術與應用領域技術的深度融合，引領中國智能制造加速發展。”
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