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    中國仿真:鈍劍出鞘
    2021-10-12 14:10
      中國戰略新興產業融媒體記者  陳雯
      論證、研發、試驗、制造、維護、輔助決策……仿真技術已被用于各類產品制造的整個生命周期。尤其是一些結構比較復雜、樣品成本比較高的產品,有了仿真技術,生產和優化過程仿佛如虎添翼。比如汽車碰撞安全測試的仿真模擬,推進高速磁浮成套技術和工程化能力過程中的仿真分析,再比如3D打印、3D復印智能模塑成型領域的仿真原理應用,都是近些年來,我國仿真技術逐漸開始研發創新、施展拳腳的領域。據中國工程院院士譚建榮介紹,集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程,而將仿真映射到虛擬空間,就是如今熱門的概念“數字孿生”。
      新名詞層出不窮,新技術是否落地?我們期待在未來數字孿生技術建構世界鏡像,但它的地基是否足夠穩固?在當下,已有越來越多企業和院校愿意潛心于仿真領域的深耕,愿意闖出一條更曲折、也更廣闊的道路。
     
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      國產仿真:該商業化了,卻退場了
      A. Alan B. Pritsker在1974年提出,仿真是建立一個系統的數學邏輯模型并在計算機上對它進行實驗推演??梢哉J為,仿真技術就是通過模型轉化成軟件的方式來模擬物理世界。
      20世紀60年代,我國仿真技術開始應用于自動控制領域,這一時期,我國自行設計的飛機模擬器、坦克模擬器等研制成功,民用領域的火電機組培訓仿真系統、化工過程培訓仿真系統、機車培訓仿真器、汽車模擬器等也相繼研制成功。
      隨著信息處理技術的突飛猛進,仿真技術得到迅速發展。從80年代開始,借助計算機仿真技術的發展,國際仿真技術開始進入了計算機仿真的新時代,計算機仿真技術開始大規模地應用于儀器儀表、虛擬制造、電子產品設計等各方面。比如后來推出的NASA飛行器健康管理、西門子安貝格數字化工廠,都是基于計算機仿真技術的應用。
      同一時期,以計算機仿真技術為基礎,國內則建設了一批水平較高、規模較大的半實物仿真系統,主要用于國防裝備研發,如射頻制導導彈半實物仿真系統、紅外制導導彈半實物仿真系統、殲擊機工程飛行模擬器等。
      但90年代之后,中國仿真技術發展的腳步似乎就慢了下來。當然不是由于研究者的懈怠,甚至在21世紀初,我國還開啟了關于分布交互式仿真、虛擬現實等技術的研究,也有較大規模復雜系統仿真的實驗開展。
      實驗室的研究仍在繼續,商業化的轉換環節卻出現了與預期發展方向的錯位。
      從90年代開始,仿真軟件的應用之路漸漸地寬了,只不過更多地是被國外的商家走出來的。國外商業仿真軟件經過前期技術的沉淀,開始進入穩定的商業化運作,而對于當時的科研機構、工業設計部門而言,也正處于迫切需要借助國外商業仿真軟件快速完成課題研究或產品設計的階段。漸漸地,國外的仿真技術被越來越廣泛地應用在裝備和產品的研制。
      可以說,是仿真技術的應用加速了工業和制造業的生產研發效率,也可以認為,工業和制造業的巨大需求缺口,增加了其與仿真技術的“黏性”,工業設計愈發離不開國外仿真軟件的加持了?!斑@段時期是國內仿真軟件的沉寂期,”安世亞太公司高級副總裁、工業軟件中心主任田鋒認為,“科研機構或產品設計部門都紛紛引進商業仿真軟件,逐漸拋棄了操作原始的行業專用程序,促進了國產仿真軟件的退場?!?/div>
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      仿真技術:有多好,就有多難
      新形勢下,數字產業化和產業數字化正推動數字經濟和實體經濟深度融合,我國制造業正處于邁向智能化、數字化的關鍵階段,各行各業開始意識到掌握具有自主知識產權核心技術的重要性,仿真技術也再次成為焦點。
      9月14日,以“新時代/新形勢下仿真技術的新應用”為主題的第三屆中國仿真技術應用大會暨中關村數字化創新國際論壇在北京市石景山區開幕。以“從虛擬現實到數字孿生:關鍵技術與發展趨勢”為題的大會主旨報告中,譚建榮院士介紹,約有95%的市場份額都由國外廠商占據。
      而由于仿真技術在過去一段時間內沒有收到足夠重視,目前中國仿真領域面臨的局面,就是被蠶食后的僅剩5%的市場。
      正因如此,自研仿真技術的迫切性和市場潛力也尤為令人矚目。實際上,在所有的制造業,幾乎所有流程都可能用到工業設計和仿真技術,尤其產品創新設計,更與仿真平臺的計算水平息息相關。仿真技術不僅能夠免去制造樣機、重復驗證的繁瑣,能力強大的仿真軟件甚至可以直接給出優化結果,為新產品面市節約了大量人力物力和時間成本。因此,已經有很多企業開始在仿真環節加大投入。
      SIMULIA全球副總裁Scott Berkey認為,如果一個企業還想要生存、競爭,就需要讓研發更有效率。要提高研發效率,不是僅僅去減少實驗數目,而是要利用信息化技術、利用仿真分析來縮短研發周期。如今仿真分析的速度越來越快,分析與設計結合的愈加緊密不可分離,企業要想在激烈的市場競爭中獲勝,就更加需要仿真分析。仿真要做的正是如何讓分析更快、更有效率。
      當然,即使面對的是生產制造的海量需求,我們也需要清醒地認識到,對于仿真技術而言,所謂技術反超、國產替代,并不是一蹴而就的。
      仿真技術為什么難,難在哪里?浙江遠算科技工業軟件研究員,中國仿真學會青年工作委員會副主任劉偉博士告訴本刊記者,工業設計和工業仿真軟件,底層其實都是數學,前者為計算幾何,后者為偏微分方程數值解,是數學家們苦心孤詣的成果。除此之外,工程經驗也必不可少。一方面,基礎理論保證求解器功能的穩定性和多樣性,另一方面,需要工程師在使用中不斷沉淀工業領域相關的知識和數據,而要將二者很好地結合在一起,也并非易事。
      “工業仿真軟件,從研發起步到實現商業化,其實是一個漫長的過程。這其中,至少三十年的沉淀是需要的。這里需要凝聚各方智慧,也需要政府的支持。不管是工業互聯網、數字孿生,這些新名詞的背后其實也是CAD和CAE,工業設計仿真是這些新技術的基礎?!眲ケ硎?。
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      通力合作,高點起跳
      在本屆中國仿真技術應用大會主論壇上,田鋒在分析了困境與機會后,提出可顯著提高中國仿真自主研發成功率的關鍵策略,包括仿真技術研究和積累、對中國用戶剛需的準確識別、切實可行的工程化驗證、舶來品替換能力和策略、商業通路及規?;茝V等。
      目前,不同的公司給出了不同的解決方案,信息技術的發展也催生了更多的可能性。據現場工程師的介紹,安世亞太提供的是自主開發的通用仿真軟件,浙江遠算科技提供的是泛超算一體機、開源仿真軟件,騰訊帶來的則是云上的仿真高性能計算服務。
      大會現場,參展商帶著產品和合作的意向,向與會者介紹仿真技術研發進度和應用案例,也是希望借助市場的打開,進一步迭代技術。近年來,政府扶持力度加大,投資機構入局,企業的專利意識被反復強調,采購方也愿意更多地選擇國產軟件,各方面正協力,挖掘仿真技術的潛力。
      安世亞太和浙江遠算科技有限公司的工程師都對記者談及,站在巨人的肩膀上是目前形勢下實現高點起跳的一種方式。
      仿真模擬,不僅僅是千萬行代碼的堆積,更根本的是工程經驗和數據分析,才能使仿真結果真正可靠。數據和工程經驗來自哪里?當然是來自工程設計的具體應用。像達索、西門子、法國電力集團旗下成熟的工業仿真軟件,有足夠大的應用市場、足夠多的歷史數據及經驗積累,被認為是國產軟件研發完成后進入應用環節的一個起跳板。
      國產仿真軟件的進步,需要一個個模型的優化,一條條產業鏈的打通,也需要一位位工程師日積月累經驗的投入,需要一代代研究者鍥而不舍自主創新精神的延續?!胺抡孢@個事情,一旦開始去做,其實你是會‘上癮’的。無論是研發效率、創新能力,仿真確確實實會給企業的核心競爭力帶來很大的提升?!边h算科技的戰略總監王勛說,“而一旦上路,就不會停歇?!?/div>
      END
      來源:本刊原創文章
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