制造系统是一个复杂状态的系统，不仅是可见的实体及其之间的联动关系，也包括背后看不见的各种运行策略与规则。美国在2019年将物流建模与仿真系统作为对我国禁止出口的技术清单内容之一，西门子借助于数字孪生的东，其旗下产品PlantSimulation也在大力的推进和实施应用。国内虽然零零散散的也有一些建模与仿真系统。但是不管是从功能还是说在应用范围和力度方面都还是比较弱的，更多的是在一些局部做一些应用。我所说的制造系统建模与仿真系统主要说的是那种通用型的制造系统建模与仿真系统，并且主要说的是离散型。

（1）三维可视化模型的作用分析

首先需要明确的是，三维模型对于制造系统建模与仿真分析来说，其实并不是最核心，最不可少或缺的那种东西。比如在三大主流建模仿真软件系统当中，因为最广泛的就是西门子的Plant Simulation，但是他的三维能力，基本上来说也是最弱的，但仍然得到大家的肯定，其实主要来说还是其内核仿真优化方面的价值。

当然了，三维制造系统模型还是非常直观的，我们可以很轻易的在这种场景下面进行拟实漫游，也可以很方便的来丈量和评估分析设备之间的距离。其实如果只是在做这些事情的话，相当于是为脑力不足的人来提供一种可视化的展示效果而已。

随着数字孪生的兴起，实际制造系统里面我们看到的实物都是三维的，我们也当然希望能够在系统里面看到与实际系统当中各种食物具体状态完全一致的场景，所以三维场景就变得越来越重要了，变成了制造系统建模，仿真软件当中的标配了。但反过来说，三维可视化其实是适可而止的，因为不管怎么说，这只是一种展示而已，过于强调这个方面，甚至说这就是数字孪生，显然是不对的。也因此，有时候看到一些申报指南里面说制造模型当中的实体达到多少量级，刷新频率要达到多少帧或响应速度？感觉这么做是明显曲解了手术男生或者方针分析的本质问题，将研究方向扭转到计算机图形学方面了，其实意义并不大。

（2）离散式多发并行的仿真运行机制分析

制造系统的运行本质上是各种实体随时间推进的状态变化，没错，就是我们之前学的离散事件仿真这门课。

首先，制造系统运行本质上来说是各种实体之间的交互作用关系所导致的系统随之而进行的各种反应和状态变化。因此仿真的重点必须要为这些实体之间的作用关系提供运行机制，而这种机制的核心基础就是建立一系列与各种类型实体相对应的控制模块，显然同类型的资源其控制模块应该是一样的。

其次，制造系统的运行不是单线程的，各个实体其实都具有自己的独立性，整个制造系统运行呈现出多发并行的局面。因此，制造系统的建模与仿真运行，要么通过传统的基于仿真时钟队列方式来建立事件序列并逐一进行响应处理，并基于每一个事件处理之后所带来的其他的关联影响，进一步衍生成持续发生的事件及其时间点并纳入到与统一的仿真时钟关联的序列当中。在这个过程当中这个系列当然是重要的，但更重要的是某个事件产生之后对制造系统其他部分所产生的影响，这种互操作机制才是制造系统仿真运行的最核心的内容。笔者认为，当前人工智能领域所发展的群体制，其实与这个是密切相关的，完全可以拿过来借鉴参考，衍生提炼改造形成制造系统仿真运行的后台引擎。

第三，制造系统法律运行最典型的一个应用就是物流。对于制造系统仿真运行来说，事先做好的物流路径规划，其实一定程度上都曲解了仿真的本意。比如当前实际的物流系统当中，只要告诉AGV小车目的地，他就可以自主寻径到达。在仿真系统当中，其实很核心的意见就是要模仿这种机制。制造系统建模与仿真软件，可以在这个方面多下功夫，甚至可以引入一些最前沿的甚至人工智能技术来开展仿制，在这种情况下所建立的三维制造场景及其状态就非常有意义了。同样的。与路径规划。一直推荐采用点阵式的离散控制机制，就如同这套试题一样，对于任何一个交互节点都施加对应的控制方法，从而能够支持AGV自主决策的仿真运行。

（3）制造系统建模与仿真软件的优化分析功能

目前看起来主流的仿真软件，其实都内嵌一个基于遗传算法之类的优化器，可以在次基础上实现对制造系统各种运行参数的优化。这种局面下其实是将一次仿真运行当成了一次函数求解，获得一个结果，在对结果分析的基础上实践进化式的参数优化，这就是基于仿真的优化的核心思路。

这就要求我们在进行仿真软件开发的时候。有明确的注意。对于制造系统建模与仿真来说，到底有哪些参数是可以暴露出来的，是可变的，是有自己的界限范围，是有自己的迭代步进的。其实这样也对仿真软件里面的优化器提出了一些要求，其实很多种算法都可以用的。

（4）制造系统建模与仿真系统的应用场景分析

第1个应用场景是面向制造系统设计的布局规划评估与优化，可以将成套的布局规划理论纳入到仿真软件里面，具有丰富的扩展空间。

第2个应用就是面向实际制造系统的运行状态，体现在两个方面：一是真实状态的真实反映；二是基于当前快照状态的。仿真评估优化，比如各种各样的what-if仿真分析，或者POC验证。这两个方面结合，其实就是一种最典型的数字孪生体现。

从发展自主可控的制造系统建模仿真软件来说，我们一定要走向自主开发这一步的。现在虽然有很多公司做了比如面向人机工程的三维动作分析的软件，或者只是制造系统实际状态的展示等，虽然大部分来说还有点差强人意，但也算是一个良好的开端了。笔者在长期研究和开发APS的经验基础上，以及结合具体企业产线或车间进行数字孪生系统开发的基础上，也加入了这个队列，正在开发自己的制造系统建模与仿真软件，希望未来（先看5年吧）可期。

来源：微信号  智能制造随笔

作者：王爱民

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