為什麼要進行建模仿真？

沒有“模型”作為基礎的話，很多當今的前沿概念將無法

真正落地！

今天，數字孿生、人工智能、工業互聯網、邊緣計算這些概念在整個產業裡非常的火熱，但是，要知道，如果這些概念沒有“模型”作為基礎的話，那麼這些概念將無法真正落地，因為模型是數字世界與物理世界連接的橋樑，另一方面，仿真技術使得在複雜變化的製造現場可以實現非常多的虛擬測試、早期驗證，降低整個製造業的整體成本，很多時候，我們必須瞭解為什麼要進行建模仿真？

一、機器生產中的複雜變化

究竟機器的生產有多麼複雜？只有研發機器的工程師們才能更清楚，在每個行業，生產的複雜度都包含了多個維度：

① 材料的複雜性：

在印刷中，紙張或薄膜都是數千種可能性，而在紡織機械領域天然的纖維如棉花、絲、羊絨等都是隨著產地而纖維特性不同，在塑料領域的顆粒種類也千變萬化，他們都擁有不同的流體加熱變形屬性，在灌裝領域，瓶子的材料、規格也是千變萬化。

② 工藝的複雜性：

對於印刷本身也有柔版、凹版、膠印多種，包括輪轉與單張的組合，還有塗布、裁切等的組合，對於紡紗也包含了轉杯紡、渦流紡、氣流紡、環錠紡等多種形式。

③ 流程的複雜性：

生產的工序也隨著生產任務的不同而變化，比如灌裝不同類型的飲料時候所需的電子閥動作流程也不同，碳酸飲料與非碳酸飲料，或者貼標單元可能會有1個、2個、3個不同的標籤，都會組合成不同的工序流程。

圖1-機器的變化組合成千上萬

如圖1所示，從上面三點，我們就可以看到，一臺機器如果希望它具有廣泛的適應力，那麼，它在材料、工藝、流程三個方面就會組合出成千上萬種組合，這是製造的複雜的地方—也是為什麼必須進行建模仿真的原因。

如果不採用建模仿真來進行這樣的模型構建，對於機器的開發而言，就必須進行大量的物理測試與驗證，這個成本是極其巨大的—儘管，我們採用了測繪的方式，減少測試驗證環節的投入，一個機器的研發仍然是投入巨大的，尤其是具有“高端”定位的機器，它必須擁有穩定而可靠的，適應變化生產的能力。

二、建模仿真帶來哪些應用優勢？

如果我們全流程的看待機器的開發，從概念設計、原型設計、測試驗證，整個流程中，最燒錢的地方在哪裡？

圖2-基於V模式的開發

對於機器與系統的開發，V-Mode是普遍被應用的模式，在整個設計與開發階段，從概念到需求、功能規範、子系統設計再到實現，各個階段對應都有相應的測試與驗證，這個集成測試驗證是確保每個流程都能夠保證任務的質量與進度得到控制，順利完成產品整個的研發過程，而這些過程中，真正需要耗費大量的成本的往往是測試驗證這些過程。

在傳統的機器設計中，這個環節往往需要按照嚴格的流程來進行，而通過建模仿真所實現的虛擬測試與驗證可以使得這個環節被提前，縮短整個流程週期，如圖3所示即是並行工程，有了建模仿真這樣的開發工具和方法，可以實現電氣控制與應用軟件和機械的並行開發。

圖3-並行工程

建模仿真可以讓機器的開發帶來非常多的便利，包括如圖4的幾個方面：

① 虛擬調試縮短開發週期與降低成本

對材料的工藝特性、機械傳動、控制的聯合測試中，只有在虛擬環境中，對參數進行最優的調整，才是最節省成本的，只有幾乎完成最優後，再下載到物理對象上進行驗證，才能更好的實現成本的降低，否則，例如印刷機，如果要進行某種材料的測試，300米的速度下一卷紙就10分鐘多燒完了，幾千塊的材料費用就很快消耗掉，而大量的機器功能會造成鉅額的測試成本。

② 降低安全風險

對於一些設備而言，虛擬測試與驗證還可以降低安全風險，例如風力發電對於各種安全機制的測試，包括在一些大型機械裝備的開發中，如果沒有良好的安全機制保障，那麼就有潛在的安全風險，因此，可以在虛擬環境中進行。

③ 複用的組件開發

對於很多具有共性的應用軟件來說，例如張力控制模型針對塑料薄膜、印刷的紙張、紡織的紗線、金屬板材的開卷校平、彈簧送絲等各種場景來說，可以用於開發各種控制模式下（閉環、開環、有跳舞輥、伺服電機調節等）的模型及其參數驗證，然後封裝為可複用的共性組件，在應用開發中，直接配置其模式、參數等，加速機器的配置，響應快速的市場變化需求。

圖4-建模仿帶來的好處

因此，建模仿真是一種顯著降低成本的方案，而且有了這些模型後，針對未來的數據應用可以實現：

① 數字孿生：

通過動態的實時交互，數字系統與物理系統可以進行動態驗證，尤其在個性化生產中，這種實時交互對於響應產線變化至關重要。

② AR/VR應用：

有了模型後，這些模型與現場數據的匹配會讓AR/VR的應用成為可能，可以進行可視化培訓、在線安裝調試的指導等等工作。

③ 機器學習：

數據驅動與模型驅動必須融合，才能各自發揮其優勢，基於數據的可以發掘潛在的規律，而模型將已有的知識形成控制，兩者互補，學習到的新規律可以被融入到機理模型，而機理模型又能夠為學習奠定基礎。

總之，有了模型，可以做非常多的事情，可以讓機器製造商實現非常多的機器靈活設計和功能設計。

三、建模仿真

是真正創新設計的源頭

“知其然，也要知其所以然”—這就是在製造領域裡我們必須知道機器設計的“Why”-源頭的原理，建模就是對整個機器進行真正的根源性設計，而這種設計也是後續所有“創新”的源泉，如果缺乏這些數字建模，那麼就意味著我們缺乏“變化”的能力，

只是測繪了一種機械，而沒有掌握它的原理性設計，即使採用“逆向工程”，其實，也是不能完全掌握其設計精髓，無法讓我們在這個基礎上獲得創新，當在競爭中，做一些調整，尤其是現在機械的Know-How更多的是工藝軟件形式存在、安裝方式的話，對我們來說就會意味著不知道的“坑”—要想真正實現差異化、超越，必須回到原始的建模上，才能真正掌握“核心技術”。

四、建模仿真實際案例

以下是貝加萊支持建模仿真的實現方法：

圖5-貝加萊的建模仿真層級

作為領先的自動化廠商，在建模仿真領域，在早期的控制系統設計時即採用了建模仿真的接口連接，自2008年Mathworks推出Simulink PLC時，最初發布針對C代碼的自動代碼生成，貝加萊的Automation Studio即支持高級語言，通過AS Target for Simulink接口可以一鍵導入到Automation Studio中進行硬件在環測試（Hardware In the Loop），在之後又與MapSim、IndustrailPhysics進行了合作，開發基於FMU/FMI接口，FMU是功能模型單元，而FMI是功能模型接口，通過在MapSim和IndustrialPhysics中的建模仿真的代碼（二進制）和描述（XML）可以被通過FMI下載到Automation Studio中進行測試。

圖6-Automation Studio與

各種建模仿真軟件的交互過程

貝加萊自身Automation Studio中有針對硬件設備的仿真和ScenViewer的可視化呈現，而MATLAB/Simulink是針對傳感器、控制與驅動系統的建模仿真，MapleSim則是針對機械的傳動控制、運動學、物理學（摩擦力、張力）等進行建模仿真，如圖6所示，IndustrialPhysics則是針對生產流程，產線聯合進行包括避免碰撞、物料流動過程的建模仿真，即，面向生產過程的建模仿真，這些都可以通過FMU/FMI與Automation Studio進行交互，未來，這個接口也可以是基於OPC UA來實現。

實現案例解析

在集裝箱吊裝的岸橋系統、履帶吊、龍門吊等領域因為鐘擺效應使得被吊裝的物體不能快速處於穩定狀態，而使得整個效率比較低，防搖系統即用於解決這類問題，在貝加萊，工程師們通過如圖7所示的過程，首先對岸橋的吊裝過程進行物理的建模（吊裝的路徑尺寸、岸橋機械、摩擦力、位置、速度等傳感器採樣）。

圖7-防搖系統的建模仿真開發

然後在MATLAB/Simulink裡對它的控制對象-變頻器的輸出進行算法設計和參數調校，使得獲得一個最佳的控制模型，然後下載到Automation Studio進行物理對象的虛擬調試，進行各種場景下的功能測試（下方有/無障礙物、加速度限制、手/自動切換），然後經過反覆驗證後代碼封裝成一個軟件功能塊，供反覆的使用，用戶根據自身的岸橋機械、功能需求進行配置這個模塊，即可生成整個應用程序，快速而可靠。

圖8-防搖系統的功能設計

圖8是基於建模仿真開發的防搖系統的功能和特性，包括防止碰撞的安全區設計、軌跡信息預知、手/自動切換、軌跡上停車、軌跡限制、精確定位等功能，該系統已經在多個港口的岸橋系統得以應用。

在無數的變化中，如果沒有建模和仿真，我們將迷失在材料和流程的千變萬化中不得其法，而所有的創新都來自於我們對客觀世界的理解，對我們知識的凝聚，而建模仿真則是實現這個創新與發展的根基。

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