“求索中國仿真解困之道 每周一期 今天中國面臨著大企業(yè)玩“假仿真”、中小企業(yè)“無仿真”、全中國玩“鄰家仿真”的仿真困局。中國仿真如何破冰？如何走出困局？是本專題討論的核心。 ” 本專欄作者：田鋒 安世亞太公司 高級副總裁 北京市綜合仿真實驗室主任 如果你的業(yè)務涉獵仿真產(chǎn)業(yè)和技術，一定聽說過“仿真驅(qū)動研發(fā)”這一詞匯。該詞最初被某供應商提出，之后被更多供應商使用，然后被媒體采納，被企業(yè)接納…….說多了就成了“成語”。但什么是“仿真驅(qū)動研發(fā)”，仿真到底是怎么驅(qū)動研發(fā)的？似乎很多人的理解有一定偏差，許多仿真技術供應商對“仿真驅(qū)動研發(fā)”表述都不盡正確。 關于此成語，見過比較多的一張圖是下面這張圖：
本圖的確反映了仿真在產(chǎn)品設計單一過程中的驅(qū)動作用，但產(chǎn)品研發(fā)是具有更大時空框架的過程。研發(fā)過程就行南水北調(diào)工程，仿真就像是水泵。整個工程有無數(shù)個不同類型的水泵，在哪地方安置何種水泵才能最高效地發(fā)揮水泵們的作用是一個系統(tǒng)工程。 在企業(yè)中往往有兩種極端思維：一種是認為仿真無所不能，應該盡量多地用仿真來指導設計；另一種是認為仿真就是錦上添花，在確定設計方案后做一定的確認即可，有些企業(yè)甚至把仿真作為展示或做秀之用。 其實，仿真是個高投入、高成本的活動，不僅軟件價格昂貴，使用人員的成本也較高，時間投入也相對較長。對于一個產(chǎn)品的設計，在不必要的環(huán)節(jié)投入仿真，換取的回報也許會小于投入，所以，仿真并不是用的越多越好。相反，把仿真完全看成是花瓶和做秀，就過于輕視了仿真的價值，企業(yè)花重金購買仿真軟件變成了一種浪費。 界定仿真能發(fā)揮最大價值的環(huán)節(jié)，以最高的性價比來引入仿真，并且在仿真執(zhí)行的過程中得到最有價值的結(jié)果，才是“仿真驅(qū)動研發(fā)”的精髓。 在正文展開之前，我們先界定兩個容易混淆的詞匯——標準與規(guī)范。由于業(yè)界對“標準”和“規(guī)范”兩個詞匯的定義沒有一定之規(guī)，所以這里有必要對這兩個詞匯做一定的定義。我們用以下兩句話來概括這兩個詞匯的區(qū)別： · “規(guī)范”用來回答在什么地方用仿真、用什么仿真的問題； · · “標準”用來回答如何做好仿真的問題，定義所謂好的評判標準（依據(jù)）。 · 設計流程的仿真化改造 仿真標準與規(guī)范建設的前提是設計流程的仿真化改造。設計就像打仗，打仗就得熟悉兵力布局、作戰(zhàn)地形、行軍路線和作戰(zhàn)路線。設計流程就是反映設計地形和路線的地圖。 復雜產(chǎn)品的設計必然有著復雜的設計流程和大量設計活動，相當于有著錯綜復雜的地形和路線。如果缺少這樣一張地圖，從布局、行軍到作戰(zhàn)，必然處處受制。因此，設計流程既具有引領作用，又具有樞紐作用，同時又具有保障和管控作用。 所謂兵馬未動糧草先行，當我們清楚了作戰(zhàn)地形和路線之后，我們可以在那些關鍵環(huán)節(jié)提前部署兵器，仿真工具就是這些兵器中的重要一類。經(jīng)過仿真化改造的設計流程稱為“綜合設計流程”。 設計流程仿真化的具體方法是重新審視設計流程，找到仿真價值最大的環(huán)節(jié)，將正確的仿真技術嵌入其中。仿真最直接的價值是替代試驗，所以傳統(tǒng)上的試驗環(huán)節(jié)往往是流程優(yōu)化工作的最先關注的地方。當然，仿真的最終目的是創(chuàng)新，而不是驗證，所以在設計早期，雖然沒有太多試驗活動，但仿真的價值卻最大。 產(chǎn)品設計一般劃分為以下幾個階段：方案論證階段、概念設計階段、技術設計階段、試驗驗證階段等。仿真在不同階段的用途不同，例如： · 方案論證階段——利用仿真進行快速論證。此時追求仿真的快速，不追求精確； · · 概念設計階段——利用仿真進行方案快速驗證。系統(tǒng)仿真和多學科仿真是主要手段； · · 技術設計階段——利用仿真完成關鍵設計參數(shù)的優(yōu)化與確定。此處實物仿真是重點； · · 試驗驗證階段——盡管仿真的目的是替代試驗，但在實踐中必要的試驗還需要保留，特別是某些行業(yè)規(guī)范要求如此。利用仿真幫助規(guī)劃試驗方案，準確定位測試點，減少試錯，精益地獲得數(shù)據(jù)，用較少的次數(shù)達到試驗目的，提升試驗效率。 · 相同零部件的同類仿真分析在不同設計階段的分析目的不同，因此，采用的技術、工具、仿真模型、網(wǎng)格的處理方式、結(jié)果的處理與評價等也各不相同。 仿真規(guī)范用來排兵布陣 如何界定仿真能發(fā)揮最大價值的環(huán)節(jié)，確保必要的時候做正確的仿真，是“仿真規(guī)范”建設的任務。 仿真規(guī)范規(guī)定了產(chǎn)品在不同設計階段、不同專業(yè)應開展的仿真工作以及各仿真任務應采用的技術和方法。本規(guī)范應作為強制性文件要求全體仿真人員使用和遵守。 另外，考慮到企業(yè)仿真體系的成熟度是逐步進化的，所以，仿真規(guī)范不僅要規(guī)定“理想情況下產(chǎn)品研發(fā)在什么時候要做什么仿真”，還應該規(guī)定“在仿真體系不同成熟度級別，應該做何種裁剪?！?/span> 仿真規(guī)范最終應該形成一套仿真規(guī)范手冊，手冊中除了描述產(chǎn)品研發(fā)階段中所涉及的所有仿真任務清單外，還應該描述每個仿真任務的SIPOC模型中的具體信息。
某企業(yè)在發(fā)動機設計中的關鍵仿真工作項 在相應的仿真技術規(guī)范中，明確仿真任務的工作要求、輸入輸出、上下游工作關系、使用的技術和工具、執(zhí)行人要求、預測工作量、可參考的知識或規(guī)范等，詳見下圖：
仿真任務的描述模型 · 任務約束：該項任務需要在何種原則、規(guī)范或標準之下來完成； · · 輸入與輸出：該任務的輸入數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)來源、輸出數(shù)據(jù)的要求和去向； · · 采用的技術、工具和模板：分析并規(guī)范該任務所采用的技術、工具及模板； · · 執(zhí)行人要求：根據(jù)難度和重要度，提出執(zhí)行人員的能力要求； · · 工作量預測：本信息對于產(chǎn)品研發(fā)周期和仿真項目管理有指導意義； · · 參考的知識：本信息對于執(zhí)行人員按規(guī)定時間和質(zhì)量完成任務有指導意義。 · 仿真標準用來精準打擊 在中國，很多企業(yè)每天熱鬧地做仿真，其實都是在做“假仿真”！企業(yè)的仿真能級被“封印”的1級成熟度無法突破，每天沉迷于“大拿迷局”無力自拔。“大拿迷局”的表現(xiàn)如下： · 對同一個問題，使用同一款仿真軟件，兩個大拿做出來的結(jié)果不同！ · · 同一個大拿，用不同的軟件，做出來的結(jié)果不同！ · · 用試驗進行驗證，發(fā)現(xiàn)這個兩個仿真結(jié)果與試驗都不同！ · “大拿迷局”中的這三句話有同一個令人煩惱的詞——不同。也就是說，我們一直在追逐它的反義詞——一致性——而不得。這就是仿真標準為什么重要的最直接原因。 “仿真”一詞本身就代表我們獲得結(jié)果都不是真的，不然怎么會用“仿”字呢？既然是用計算機模仿真實世界，必然不能和真實世界一模一樣，所以“假”是“仿真”的天然屬性。但“假”顯然也無礙大局，不然仿真技術怎么可能在世界工業(yè)中發(fā)揮那么重要的作用？雖然“假”不是問題，但弄清楚“假”到什么程度卻是關鍵問題。就像A、B兩塊手表，我很清楚A手表慢10分鐘，而我不知道B慢多少，只知道慢得不到10分鐘。顯然，B比A更接近真實時間，但A更具有參考性，因為A手表清晰地給出了一個標定：慢10分鐘，每次看表，加上10分鐘就是真實時間。 仿真世界也是如此。一個工程問題，用某個軟件、某個處理方法，仿真計算獲得結(jié)果與真實世界差異如果能被標定的話，仿真的結(jié)果就是可以被參考的。即使與真實世界差距較大，只要這種差距是恒定的，可以用某個數(shù)據(jù)或方法修訂，那可以認為仿真結(jié)果就是“精確”的。這種“精確”不是軟件、計算方法、處理方法等決定的，而是通過標準獲得的。從此之后，每遇到這種問題，就按照相同的處理方法、相同的軟件來計算，計算結(jié)果通過標定的偏差來修訂，就可以獲得正確結(jié)果。某汽車企業(yè)曾用100個單元剖分一個車門，計算結(jié)果與試驗有20%的差距，但這個差距是穩(wěn)定的。有好事者認為100個單元未免太粗糙了，把網(wǎng)格加密10倍，達到1000個單元。相比數(shù)年前標準建立的時候，計算機性能明顯提升了，10倍的計算量并不算什么。理論上講，細化網(wǎng)格的計算結(jié)果也的確更接近與現(xiàn)實，但問題是我們不知道1000個單元的計算結(jié)果與試驗的差距到底是多少，所以這種做法從理論上是正確的，對工程卻是無益的。 所以，仿真標準的根本目的不是讓計算結(jié)果更接近真實世界，而是“保持計算結(jié)果的一致性”，解決“大拿迷局”問題。只要遵守同一個標準，對同一個問題，不同的人、不同的軟件，仿真得到的結(jié)論都應該是一致的。標準的規(guī)定未必是最優(yōu)的，但結(jié)果是可重復的，可以被重現(xiàn)和追溯的結(jié)果才是最可靠的。這就是仿真標準的意義所在?？芍貜?！細心的朋友可能注意到我們提出的仿真能力體系成熟度模型中第二級別的名字就叫這個——重復。 仿真標準是對仿真過程做出具體規(guī)定的技術準則及強制執(zhí)行文件，包括某項仿真工作的技術原理、前提假設、計算方法、軟件工具、模型處理、材料選擇與等效、邊界條件確定、仿真步驟、計算控制、結(jié)果檢查、結(jié)果處理及評價、試驗標定等。
仿真標準卡片實例 相對于仿真軟件使用，仿真標準要復雜得多，形成的難度也更大，不僅需要對仿真過程做大量的調(diào)試，還需要大量的試驗驗證和誤差標定。 仿真標準的建設成果是形成一套標準手冊，作為仿真工作的依據(jù)和準則，是企業(yè)的核心資產(chǎn)。愿意的話，每個相對獨立的標準，提取其中的核心，可以做個一張紙的卡片，用起來就方便多了。 仿真標準與行業(yè)、企業(yè)和產(chǎn)品相關度很高，所以，世界上不存在一個放之四海皆準的仿真標準，但可以存在一個放之四海皆準的《仿真標準的編制指南》本文下拉有下載方式。本指南是我參與數(shù)字仿真聯(lián)盟的一個項目的成果，并為之寫了編者按。本指南就在今天發(fā)布，這也是我今天發(fā)表這篇文章的動因。 需要注意的是，企業(yè)應當在仿真體系成熟度的不同級別應該選做相適應的標準，并不是標準越多越好，與現(xiàn)狀不相匹配的豐富反倒是一種浪費。 “仿真驅(qū)動研發(fā)”的真諦 在產(chǎn)品研發(fā)體系中，在正確的地方做正確的仿真，并且把仿真做正確。這意味著要在研發(fā)的關鍵環(huán)節(jié)正確利用仿真技術，打通設計瓶頸。這里強調(diào)要讓仿真只出現(xiàn)在正確的地方，好鋼用在刀刃上，而不是將仿真泛濫在研發(fā)流程的所有環(huán)節(jié)。這是仿真能力體系建設的核心，也是“仿真驅(qū)動研發(fā)”真諦。 作者介紹
田鋒，安世亞太公司高級副總裁，國家工業(yè)軟件與先進設計研究院常務副院長，北京市綜合仿真實驗室主任，數(shù)字孿生體實驗室主任。 作者擁有二十多年研發(fā)、技術、管理與咨詢經(jīng)歷，為近百家企業(yè)提供研發(fā)體系規(guī)劃、建設和研發(fā)信息化咨詢，是中國航空三大主機所、船舶工業(yè)某研究院、中國中車等企業(yè)的精益研發(fā)、知識工程、仿真體系建設項目總設計師，著有工業(yè)與智能制造熱門圖書《精益研發(fā)2.0》、《知識工程2.0》、《制造業(yè)知識工程》和《苦旅尋真》。 作者動態(tài)
由綜合仿真實驗室主任，田鋒先生撰寫的《苦旅尋真——求索中國仿真解困之道》已經(jīng)進入機械工業(yè)出版社的出版階段，將于近期上架發(fā)行。 本書基于中國工業(yè)仿真現(xiàn)狀，提出了中國仿真發(fā)展的困局，并試圖在困局中求解破冰方案：提出企業(yè)仿真能力體系建設方法論，以提升大型企業(yè)仿真效益；提出基于工業(yè)云的仿真生態(tài)衍進方案，以降低中小企業(yè)仿真門檻；提出中國仿真自主研發(fā)的雙驅(qū)路線——“高點起跳，賦能開道” 。 浙江遠算科技有限公司是國內(nèi)領先的創(chuàng)新研發(fā)云平臺產(chǎn)品與服務提供商，致力于為工業(yè)企業(yè)、科研院所、高校等單位和機構(gòu)提供彈性按需的超算資源、專業(yè)豐富的工業(yè)軟件以及簡單易用的一站式云平臺產(chǎn)品和服務。作為一家跨界融合、技術驅(qū)動的公司，遠算目前已獲得國家高新技術企業(yè)、國家等保三級資質(zhì)以及三十余項技術專利，并與包括國家超算中心、西門子工業(yè)軟件以及法國電力集團等建立獨家戰(zhàn)略合作，共同推進中國工業(yè)數(shù)字化創(chuàng)新發(fā)展。遠算旗下開物云平臺包含市面上近百款主流工業(yè)軟件，瀏覽器端即開即用，免部署免運維，如本地般流暢體驗。 |
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