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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。

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本專欄作者：田鋒

安世亞太公司 高級(jí)副總裁

北京市綜合仿真實(shí)驗(yàn)室主任

如果你的業(yè)務(wù)涉獵仿真產(chǎn)業(yè)和技術(shù)，一定聽說過“仿真驅(qū)動(dòng)研發(fā)”這一詞匯。該詞最初被某供應(yīng)商提出，之后被更多供應(yīng)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(dòng)研發(fā)”，仿真到底是怎么驅(qū)動(dòng)研發(fā)的？似乎很多人的理解有一定偏差，許多仿真技術(shù)供應(yīng)商對(duì)“仿真驅(qū)動(dòng)研發(fā)”表述都不盡正確。

關(guān)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(shè)計(jì)單一過程中的驅(qū)動(dòng)作用，但產(chǎn)品研發(fā)是具有更大時(shí)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(gè)工程有無數(shù)個(gè)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(gè)系統(tǒng)工程。

在企業(yè)中往往有兩種極端思維：一種是認(rèn)為仿真無所不能，應(yīng)該盡量多地用仿真來指導(dǎo)設(shè)計(jì)；另一種是認(rèn)為仿真就是錦上添花，在確定設(shè)計(jì)方案后做一定的確認(rèn)即可，有些企業(yè)甚至把仿真作為展示或做秀之用。

其實(shí)，仿真是個(gè)高投入、高成本的活動(dòng)，不僅軟件價(jià)格昂貴，使用人員的成本也較高，時(shí)間投入也相對(duì)較長。對(duì)于一個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，在不必要的環(huán)節(jié)投入仿真，換取的回報(bào)也許會(huì)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(jià)值，企業(yè)花重金購買仿真軟件變成了一種浪費(fèi)。

界定仿真能發(fā)揮最大價(jià)值的環(huán)節(jié)，以最高的性價(jià)比來引入仿真，并且在仿真執(zhí)行的過程中得到最有價(jià)值的結(jié)果，才是“仿真驅(qū)動(dòng)研發(fā)”的精髓。

在正文展開之前，我們先界定兩個(gè)容易混淆的詞匯——標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。由于業(yè)界對(duì)“標(biāo)準(zhǔn)”和“規(guī)范”兩個(gè)詞匯的定義沒有一定之規(guī)，所以這里有必要對(duì)這兩個(gè)詞匯做一定的定義。我們用以下兩句話來概括這兩個(gè)詞匯的區(qū)別：

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“規(guī)范”用來回答在什么地方用仿真、用什么仿真的問題；

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“標(biāo)準(zhǔn)”用來回答如何做好仿真的問題，定義所謂好的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)（依據(jù)）。

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設(shè)計(jì)流程的仿真化改造

仿真標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范建設(shè)的前提是設(shè)計(jì)流程的仿真化改造。設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)流程就是反映設(shè)計(jì)地形和路線的地圖。

復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計(jì)必然有著復(fù)雜的設(shè)計(jì)流程和大量設(shè)計(jì)活動(dòng)，相當(dāng)于有著錯(cuò)綜復(fù)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(shè)計(jì)流程既具有引領(lǐng)作用，又具有樞紐作用，同時(shí)又具有保障和管控作用。

所謂兵馬未動(dòng)糧草先行，當(dāng)我們清楚了作戰(zhàn)地形和路線之后，我們可以在那些關(guān)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(shè)計(jì)流程稱為“綜合設(shè)計(jì)流程”。

設(shè)計(jì)流程仿真化的具體方法是重新審視設(shè)計(jì)流程，找到仿真價(jià)值最大的環(huán)節(jié)，將正確的仿真技術(shù)嵌入其中。仿真最直接的價(jià)值是替代試驗(yàn)，所以傳統(tǒng)上的試驗(yàn)環(huán)節(jié)往往是流程優(yōu)化工作的最先關(guān)注的地方。當(dāng)然，仿真的最終目的是創(chuàng)新，而不是驗(yàn)證，所以在設(shè)計(jì)早期，雖然沒有太多試驗(yàn)活動(dòng)，但仿真的價(jià)值卻最大。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)一般劃分為以下幾個(gè)階段：方案論證階段、概念設(shè)計(jì)階段、技術(shù)設(shè)計(jì)階段、試驗(yàn)驗(yàn)證階段等。仿真在不同階段的用途不同，例如：

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方案論證階段——利用仿真進(jìn)行快速論證。此時(shí)追求仿真的快速，不追求精確；

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概念設(shè)計(jì)階段——利用仿真進(jìn)行方案快速驗(yàn)證。系統(tǒng)仿真和多學(xué)科仿真是主要手段；

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技術(shù)設(shè)計(jì)階段——利用仿真完成關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化與確定。此處實(shí)物仿真是重點(diǎn)；

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試驗(yàn)驗(yàn)證階段——盡管仿真的目的是替代試驗(yàn)，但在實(shí)踐中必要的試驗(yàn)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(yàn)方案，準(zhǔn)確定位測(cè)試點(diǎn)，減少試錯(cuò)，精益地獲得數(shù)據(jù)，用較少的次數(shù)達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康?，提升試?yàn)效率。

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相同零部件的同類仿真分析在不同設(shè)計(jì)階段的分析目的不同，因此，采用的技術(shù)、工具、仿真模型、網(wǎng)格的處理方式、結(jié)果的處理與評(píng)價(jià)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(jià)值的環(huán)節(jié)，確保必要的時(shí)候做正確的仿真，是“仿真規(guī)范”建設(shè)的任務(wù)。

仿真規(guī)范規(guī)定了產(chǎn)品在不同設(shè)計(jì)階段、不同專業(yè)應(yīng)開展的仿真工作以及各仿真任務(wù)應(yīng)采用的技術(shù)和方法。本規(guī)范應(yīng)作為強(qiáng)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(jìn)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(shí)候要做什么仿真”，還應(yīng)該規(guī)定“在仿真體系不同成熟度級(jí)別，應(yīng)該做何種裁剪。”

仿真規(guī)范最終應(yīng)該形成一套仿真規(guī)范手冊(cè)，手冊(cè)中除了描述產(chǎn)品研發(fā)階段中所涉及的所有仿真任務(wù)清單外，還應(yīng)該描述每個(gè)仿真任務(wù)的SIPOC模型中的具體信息。

某企業(yè)在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵仿真工作項(xiàng)

在相應(yīng)的仿真技術(shù)規(guī)范中，明確仿真任務(wù)的工作要求、輸入輸出、上下游工作關(guān)系、使用的技術(shù)和工具、執(zhí)行人要求、預(yù)測(cè)工作量、可參考的知識(shí)或規(guī)范等，詳見下圖：

仿真任務(wù)的描述模型

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任務(wù)約束：該項(xiàng)任務(wù)需要在何種原則、規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)之下來完成；

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輸入與輸出：該任務(wù)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；

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采用的技術(shù)、工具和模板：分析并規(guī)范該任務(wù)所采用的技術(shù)、工具及模板；

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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；

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工作量預(yù)測(cè)：本信息對(duì)于產(chǎn)品研發(fā)周期和仿真項(xiàng)目管理有指導(dǎo)意義；

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參考的知識(shí)：本信息對(duì)于執(zhí)行人員按規(guī)定時(shí)間和質(zhì)量完成任務(wù)有指導(dǎo)意義。

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仿真標(biāo)準(zhǔn)用來精準(zhǔn)打擊

在中國，很多企業(yè)每天熱鬧地做仿真，其實(shí)都是在做“假仿真”！企業(yè)的仿真能級(jí)被“封印”的1級(jí)成熟度無法突破，每天沉迷于“大拿迷局”無力自拔?！按竽妹跃帧钡谋憩F(xiàn)如下：

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對(duì)同一個(gè)問題，使用同一款仿真軟件，兩個(gè)大拿做出來的結(jié)果不同！

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同一個(gè)大拿，用不同的軟件，做出來的結(jié)果不同！

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用試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)這個(gè)兩個(gè)仿真結(jié)果與試驗(yàn)都不同！

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“大拿迷局”中的這三句話有同一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)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(huì)用“仿”字呢？既然是用計(jì)算機(jī)模仿真實(shí)世界，必然不能和真實(shí)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(shù)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(guān)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(shí)時(shí)間，但A更具有參考性，因?yàn)锳手表清晰地給出了一個(gè)標(biāo)定：慢10分鐘，每次看表，加上10分鐘就是真實(shí)時(shí)間。

仿真世界也是如此。一個(gè)工程問題，用某個(gè)軟件、某個(gè)處理方法，仿真計(jì)算獲得結(jié)果與真實(shí)世界差異如果能被標(biāo)定的話，仿真的結(jié)果就是可以被參考的。即使與真實(shí)世界差距較大，只要這種差距是恒定的，可以用某個(gè)數(shù)據(jù)或方法修訂，那可以認(rèn)為仿真結(jié)果就是“精確”的。這種“精確”不是軟件、計(jì)算方法、處理方法等決定的，而是通過標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算，計(jì)算結(jié)果通過標(biāo)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(gè)單元剖分一個(gè)車門，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)有20%的差距，但這個(gè)差距是穩(wěn)定的。有好事者認(rèn)為100個(gè)單元未免太粗糙了，把網(wǎng)格加密10倍，達(dá)到1000個(gè)單元。相比數(shù)年前標(biāo)準(zhǔn)建立的時(shí)候，計(jì)算機(jī)性能明顯提升了，10倍的計(jì)算量并不算什么。理論上講，細(xì)化網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果也的確更接近與現(xiàn)實(shí)，但問題是我們不知道1000個(gè)單元的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)的差距到底是多少，所以這種做法從理論上是正確的，對(duì)工程卻是無益的。

所以，仿真標(biāo)準(zhǔn)的根本目的不是讓計(jì)算結(jié)果更接近真實(shí)世界，而是“保持計(jì)算結(jié)果的一致性”，解決“大拿迷局”問題。只要遵守同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)同一個(gè)問題，不同的人、不同的軟件，仿真得到的結(jié)論都應(yīng)該是一致的。標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定未必是最優(yōu)的，但結(jié)果是可重復(fù)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(biāo)準(zhǔn)的意義所在?？芍貜?fù)！細(xì)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(jí)別的名字就叫這個(gè)——重復(fù)。

仿真標(biāo)準(zhǔn)是對(duì)仿真過程做出具體規(guī)定的技術(shù)準(zhǔn)則及強(qiáng)制執(zhí)行文件，包括某項(xiàng)仿真工作的技術(shù)原理、前提假設(shè)、計(jì)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(jì)算控制、結(jié)果檢查、結(jié)果處理及評(píng)價(jià)、試驗(yàn)標(biāo)定等。

仿真標(biāo)準(zhǔn)卡片實(shí)例

相對(duì)于仿真軟件使用，仿真標(biāo)準(zhǔn)要復(fù)雜得多，形成的難度也更大，不僅需要對(duì)仿真過程做大量的調(diào)試，還需要大量的試驗(yàn)驗(yàn)證和誤差標(biāo)定。

仿真標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)成果是形成一套標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)，作為仿真工作的依據(jù)和準(zhǔn)則，是企業(yè)的核心資產(chǎn)。愿意的話，每個(gè)相對(duì)獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)，提取其中的核心，可以做個(gè)一張紙的卡片，用起來就方便多了。

仿真標(biāo)準(zhǔn)與行業(yè)、企業(yè)和產(chǎn)品相關(guān)度很高，所以，世界上不存在一個(gè)放之四海皆準(zhǔn)的仿真標(biāo)準(zhǔn)，但可以存在一個(gè)放之四海皆準(zhǔn)的《仿真標(biāo)準(zhǔn)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(gè)項(xiàng)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(dòng)因。

需要注意的是，企業(yè)應(yīng)當(dāng)在仿真體系成熟度的不同級(jí)別應(yīng)該選做相適應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，并不是標(biāo)準(zhǔn)越多越好，與現(xiàn)狀不相匹配的豐富反倒是一種浪費(fèi)。

“仿真驅(qū)動(dòng)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(guān)鍵環(huán)節(jié)正確利用仿真技術(shù)，打通設(shè)計(jì)瓶頸。這里強(qiáng)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(shè)的核心，也是“仿真驅(qū)動(dòng)研發(fā)”真諦。

作者介紹

田鋒，安世亞太公司高級(jí)副總裁，國家工業(yè)軟件與先進(jìn)設(shè)計(jì)研究院常務(wù)副院長，北京市綜合仿真實(shí)驗(yàn)室主任，數(shù)字孿生體實(shí)驗(yàn)室主任。

作者擁有二十多年研發(fā)、技術(shù)、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(shè)和研發(fā)信息化咨詢，是中國航空三大主機(jī)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(shí)工程、仿真體系建設(shè)項(xiàng)目總設(shè)計(jì)師，著有工業(yè)與智能制造熱門圖書《精益研發(fā)2.0》、《知識(shí)工程2.0》、《制造業(yè)知識(shí)工程》和《苦旅尋真》。

作者動(dòng)態(tài)

由綜合仿真實(shí)驗(yàn)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(jìn)入機(jī)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(shè)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(jìn)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(diǎn)起跳，賦能開道” 。

浙江遠(yuǎn)算科技有限公司是國內(nèi)領(lǐng)先的創(chuàng)新研發(fā)云平臺(tái)產(chǎn)品與服務(wù)提供商，致力于為工業(yè)企業(yè)、科研院所、高校等單位和機(jī)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(tái)產(chǎn)品和服務(wù)。作為一家跨界融合、技術(shù)驅(qū)動(dòng)的公司，遠(yuǎn)算目前已獲得國家高新技術(shù)企業(yè)、國家等保三級(jí)資質(zhì)以及三十余項(xiàng)技術(shù)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(tuán)等建立獨(dú)家戰(zhàn)略合作，共同推進(jìn)中國工業(yè)數(shù)字化創(chuàng)新發(fā)展。遠(yuǎn)算旗下開物云平臺(tái)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(yùn)維，如本地般流暢體驗(yàn)。