製造其實是一（yī）趟漫長的旅程。它（tā）的（de）起點和終點，看上去一成不變（biàn），但其實也在不停（tíng）的移動。而智能製造則將兩頭的（de）邊界拓展得（dé）更遠。並非是從車間，也不是從研發部（bù）門，智能製造的起點可以從更遠端開始。智能製造本身（shēn），其實也包含了（le）生產支持係統的智能建造等含義，從工（gōng）廠的天花（huā）板，到生產（chǎn）線（xiàn）的（de）布（bù）局，一直到機器（qì）開始正（zhèng）式運轉。這是一（yī）段沒有腳印的虛擬旅途。正是無（wú）處不在的工業軟件（jiàn），讓百米賽跑還沒有開始（shǐ），製（zhì）造就已經邁出了五十步。

一個工廠的機器（qì）擺放，是一門大學（xué）問。它需要從工廠層次的全局，來思考業務邏輯、物流及生產（chǎn）工藝。用戶借助廠房布局或者生產規劃（huá）軟件，可以對各級工序（xù）的材料流進行建模，從而實現廠房級的優化（huà）。而（ér）在當下時（shí）刻，也（yě）會針對全球的（de）網絡化分布的生產設施尋找最佳的生產製造策略。

這裏需要對工（gōng）廠進行大工藝的設計，包（bāo）括機器產線的布置、大門的設置、物（wù）流的進出通道、線邊庫的布局等。當然，也包括對人進出的設計。而（ér）一台台機器、穿梭（suō）補料的運輸設備等布局（jú），跟整個生產線的工藝路線有著密切的關（guān）係。

同樣一台注塑機器，放在不同的廠（chǎng）房，甚至進入不同的（de）車間，它的布（bù）局方式會發生完全不同的變化。更重要的是，規劃師（shī）需要對各種工藝、裝配規劃等進（jìn）行模擬仿真驗證，模擬整個生產製造過程，在投入生產前就得到驗證結果，並生成清單報表和指令（lìng）等（děng）。

這（zhè）種產線的工（gōng）藝仿（fǎng）真，顯然需要（yào）對（duì）機（jī）器本身有（yǒu）著更好的認知和（hé）數據來源。在上個（gè）世紀末，如以色列的（de）Technomatix、美國Deneb Robotics等許多專業的仿真公司進入視野（yě）。而汽車行業，則對此（cǐ）厚（hòu）愛有加，紛紛采用，這大大促進了這類數字化（huà）產線工藝仿真（zhēn）軟件的發展。由於機器的數據（jù），需要來自前麵的機器設計數據，這使得設計機械的CAD廠商很快意識到這（zhè）是要一塊不可丟失的陣地，於是傳統的機械設計（jì）CAD廠商紛紛進入（rù）。前麵提（tí）到的兩個廠家也分別被收購。CAD廠商，也借此離開了原先的設計部門的邊界，開始在生產車間和廠（chǎng）房之間逡巡。

非常有意思的事情是人（rén）員流動的仿真，例如Anylogic仿真軟件。這家（jiā）麵（miàn）向（xiàng）行人仿真的公司值得留存，因（yīn）為終於在工業領域可以看到一家來自俄羅斯的軟件（jiàn）。它可以實現係統動力學、離散事件、智能體的建模仿真。它（tā）廣泛用於機場、博物館、地鐵等人（rén）流密集的地方，這些都需要深刻了（le）解人的行為模型。人的行走會受到自（zì）激勵機製的影響，比如總（zǒng）想超越前麵的人等。這聽上去簡單，而工廠現場的事情，則要複雜得多（duō）。

複雜產品的訂單突然增加，往往（wǎng）是苦惱人的蜜糖。例如飛機的增產，就是一個（gè）複（fù）雜的過程，因為它需要重新評估產線的影響。由於產量低，許多工作單元一般都是定（dìng）製化，部件生產又（yòu）都在不同（tóng）地域，抗幹擾的能力（lì）其實是很差的。這些因素，會導致擴產的時候，往往（wǎng）反而使得飛機生產周期的增加。

為了應對這種變化，歐盟發起了“自適應生（shēng）產管理項目”，著重增加飛機和造船行業的新（xīn）產品持（chí）續增長的能力。空客（kè）也加入其中。A350在漢堡的裝（zhuāng）配（pèi）流水線（行業內俗（sú）稱脈動生產線），會完成對機身兩個不同部位（wèi）的裝配。它包含（hán）6個裝（zhuāng）配站，每站包括30-35個（gè）員工和約300條的工作指令。這個（gè）產線的生產（chǎn）力（lì）會隨時間推移而增長，整個增產周期持續兩年。在這裏，每個工作（zuò）站（zhàn），都被看成（chéng）是一個智能體。那麽這個過程如何進行仿真，如何修正人員（yuán）的操作和事件指令的下發，以適（shì）應增產帶來的變化。

圖1  空客的自適應管理

作為自適應（yīng）生產管理的一部分，必須有仿（fǎng）真軟件，使得參與（yǔ）者能夠再（zài）現真實的生（shēng）產環境。AnyLogic憑借它基於（yú）智能體及離散事件的混合建（jiàn）模優勢而成功入選。而實際上，它也有很多排產、在製品策略管理等軟件。現（xiàn）場會有很多古怪的場景，和工藝需求，於是就會有想不到的軟件來迎合需要。

除了Anylogic之外，其它人員仿真軟件包括STEP，也（yě）有來自英國的MassMotion。值得一提的是，後者參與了北京大興機（jī）場的客流仿真，這個機場每年要為4500萬人次提供服務。人員流（liú）動與緊急疏散，是必須要考慮的問題。

與此同時，物料流動也需要仿（fǎng）真。在精益體係中，物料（liào）是最有講（jiǎng）究的一（yī）個環節（jiē）。物料的位置、存量，背（bèi）後都有著深刻的（de）效率密碼。可以（yǐ）說，物料是浪（làng）費程度最紮眼的刻度尺（chǐ）。一個工廠內的物流，往往會通過倉儲物流軟件WMS，跟（gēn）立（lì）體庫（kù）、運貨小車、叉車、托盤（pán）等物料設備，進（jìn）行著交互吞吐。原材料、半（bàn）成品、零部件、在製品等進行空間大挪移的時候，背後（hòu）是一套嚴格的生產計劃信息流所主宰。

那麽，這（zhè）套每天奔騰不（bú）息的物品洪流，最早是如何從設想變成事（shì）實？

一個企業的物（wù）流設計，往往可以（yǐ）通過業主邀請專業的物流谘詢公司，也可（kě）以由設計院（yuàn）負責。各種物料的設計核心，其實是對離散事件的仿真，最常用的Automod軟件，也有（yǒu）美國Flexsim軟件和ProModel等（děng）。Flexsim在大型倉儲物流方麵（如京東的立體庫（kù）房）等得到廣泛使用，在一（yī）些相對簡單的工廠，有不少應用，使用方便（biàn）。而大的裝備製造業，也表現了對軟件的偏（piān）愛。很難（nán）想象，Automod這個物流仿真軟件，其實是美國（guó）最大的半導（dǎo）體設備製造商應材旗下的軟件。早在2006年應材就以1.25億（yì）美元（yuán）的代價，從一家自動化公（gōng）司手中購（gòu）買了此物流仿（fǎng）真公司，以便加（jiā）速對半導體行業的柔性生產力的支撐，避（bì）免昂貴和高度定製化（huà）的產（chǎn）線方案。設備製造商旗下擁有（yǒu）商業軟件並不奇怪，三井（jǐng）造船廠也自己開發了一款類似的物流仿真軟件。這也算是一（yī）個日本軟件發展特色，在垂直領域，總是會有意外的專業軟件。

圖2  部分物流仿真軟件

當然，專業的大型工業軟件公司也會提供物流係統仿真（zhēn）分（fèn）析工具，例如達索Delmia Quest和西門子（zǐ）的Plant Simulation、KUKA Visual Components。Quest作為一款物流仿真軟（ruǎn）件是在（zài）2000年達索（suǒ）係統收購（gòu）Deneb公司的時候，順便獲得的嫁妝（zhuāng）之一。西門（mén）子的Plant Simulation也是同樣的故事。它旗下的UG在收購Technomatix的時候，帶來的eM-Plant經過進化而形（xíng）成 。

對自動化供應商而言，需要將自動化與機器更加緊密地結合在一（yī）起，因此會有（yǒu）更大的積極性（xìng）推動這種軟件與自動化係統的融合。這就是為什麽早在2000年，羅克韋爾收購了以建模仿真為特（tè）長的Arena軟件，55名（míng）員（yuán）工並入到羅（luó）克韋爾自動化公司軟件部門，並一直保留至今。現在想起來，二十一世紀剛（gāng）剛開始的第一個年頭，發生了三起不太（tài）顯著的並購事件（應該還有更多），都（dōu）跟工廠產（chǎn）線仿真有關係。這表明，物流仿真係統（tǒng）在世紀之初，就堅定地成為了數字化產線的一部（bù）分。從那個時候，自動化跟軟件的關係，開始變得緊密起來。這種萌芽發節的微弱之聲，在十五年之後借助於德國工業4.0的全球化（huà）普及，而終於砰然作響（xiǎng），每個工廠都（dōu）能（néng）聽到它的聲音。

如果有的規劃師是人因工程的愛好者，需要將工位設計得更複合人性，減少疲勞感。不妨還可以使用一（yī）家德國公司的小軟件，Ergonomic軟件（jiàn）進行工位評測。

從實施角度而（ér）言，機器產（chǎn）線布局需要跟另外一門博大精深的（de）廠（chǎng）房內管理學：工業工程相結合。多（duō）年來，作為自動化與工業工程相（xiàng）結合的一粒碩果，產線的優化布（bù）局，已經發育成熟，基本成為標配。然而包括物聯網在內（nèi）的數（shù）字化技術（shù）的發展，這種機器、工位、物料、人員的布局與仿真，又（yòu）有（yǒu）了更加有力的工具。數字工廠的先行者，想做的事（shì）情（qíng）實在是太多了。

工業軟件就像是不慌不（bú）忙的光線，從廠房的天花（huā）板爬下來，淌（tǎng）過一條條產線，伴隨著立體庫中物料的流動，彌漫了整個工廠。而當廠房（fáng）與產線完成建模之後，就（jiù）可以進入到機（jī）器仿真調試的環節。

機器被運進廠房的時候，就像是一曲在數字空（kōng）間早已編排好的旋律，每一台機器就像音符一樣，隻需要安置在五線譜的對應（yīng）位置（zhì）就可以了。每個小段落之前，是弱音（yīn）P還是強音（yīn）F早已經被作曲家精心打磨過。落地生根之（zhī）後，演奏家們需要開始拿（ná）出自己的樂器（qì）進行合奏的嚐試。這是一個現（xiàn）場機器調（diào）試的時刻，包括自動化、電氣、機械裝置需要開始磨合。各種（zhǒng）組（zǔ）態，機器聯調，直到讓整個產線上的機器，聯（lián）動咆（páo）哮起來開始。然而，工廠的機器調試，遠不是樂章演奏那麽令人愉快。恰好相反，這（zhè）是一個耗費心力的苦差事。多少優（yōu）秀的工（gōng）程人員，在這裏留下成噸的汗水（shuǐ）。許多似乎打不開（kāi）的（de）死（sǐ）結，成為現場工程師（shī）的夢魘之一。

如何讓現場的調試可以變得更短？最理想（xiǎng）的方法是，一條產線、一台機器，就像是一個USB插盤一樣，下載即可使（shǐ）用。這種理想的插拔式工（gōng）廠，成為產線（xiàn）模擬仿真的最高境界。要做到這一點，就要在前麵的產線布局的時候，同（tóng）時加入各種設備（bèi）的具體參數，對實時場景（jǐng）進行仿真模擬。它將控製係統PLC，或者一個線纜（lǎn）的銘（míng）牌參數，都做成邊界條件，輸入到仿真係統。一言蔽之，產（chǎn）線，就（jiù）像產品一樣，被精密地進行設計。這是傳統自動化廠商，陌生的環境。而作為機（jī）器的控製係統與連接（jiē）者，和物料的驅動者，自動化期（qī）望更往前走一步（bù）。數字化時代，加劇（jù）了這種傾向。在數字化時代，如果沒有這（zhè）種產線仿真技術，那麽就會瘸一（yī）條腿。

西門子在2006年收購了UG這樣的PLM廠商（shāng）之後，就先天性地（dì）擁有了產線布局的仿真優勢，然（rán）而後進一步延伸到機器虛擬調式。這使得其它自動化廠商的壓力（lì）非常大，尤其是像羅克韋爾這（zhè）樣體量相對小的自動化公司。在最（zuì）近3年，羅克韋爾有（yǒu）兩步布局值得（dé）關注。第一步（bù）是投資10億美元入股PTC，幾乎相當於PTC的年（nián）產（chǎn）值，換取一個戰略綁定。加強對機器設備的物聯網連接能力，也是加強跟（gēn）其它機器數據的連接；第二步，則在（zài）2019年初，收購一家（jiā）從事數字模擬的（de）工程軟件開發商Emulate3D。這種並購的（de）投入並（bìng）不大，但對機器進入數字空間意味深長。該軟件可以建立簡單的工廠模型，但其重點是可以跟（gēn）控製係（xì）統進行連接，實現（xiàn）虛擬控製。也就是說（shuō），它雖然不（bú）能做工藝仿真，但可以（yǐ）做基於控（kòng）製的仿真。Emulate3D作為一種PLC仿真程（chéng）序，這正是羅（luó）克韋爾自（zì）動化需要補充的短板，可以為PLC和其（qí）它控製係統建立起虛擬調（diào）試的仿真空間，查看程序邏輯（jí）和（hé）結果。有意思（sī）的是，這家公（gōng）司本來就是羅克韋爾的合作夥伴。張口吃掉小夥伴，在軟件生態領域太普遍了（le）。這（zhè）種近親聯姻也是水到渠成的事情。

也有一些獨立廠商，如（rú）Industrial Physics。一方麵可以直接導入CAD模（mó）型，同時（shí）也可以虛擬測試PLC，形成（chéng）PLC的數字孿生。這樣的公司能夠獨立多久也是打一個問號。很快也許就會被自（zì）動化（huà）公司一口吃掉。

而最後虛擬調試的結果將作為真實的代碼，直接下放到控製（zhì）器。現場的調試（shì）時間，都會（huì）大幅度縮短。這意味著，自動化廠商，通過（guò）擴充控製（zhì）器仿真軟件，進入到了數字化產線。這也（yě）是每一台機器數字孿生得以發（fā）展的重要基礎。缺乏有效（xiào）的控製手（shǒu）段，數字（zì）孿（luán）生就是一個連吊線都沒有的木偶。

四川一家焊接（jiē）裝備工程公司，為（wéi）汽車車身（shēn）提供自動化焊裝線。它在歐洲汽（qì）車廠的一個產線（xiàn）項目，實現了全麵數字（zì）化產線（xiàn）虛擬調試。在中調試和遠程安裝（zhuāng）指導，設備（bèi）直接運輸到廠區並實現一次調試成功，大大縮短了調試時間。產線的數字孿生，有了越來越（yuè）堅實的基礎。

而在（zài）流程行業，這種虛擬調試則是非常（cháng）普遍。例如施耐德電氣AVEVA基於DYNSIM為內核的虛（xū）擬（nǐ）調試與操作員培訓係統(OTS)，就是在（zài）設計階段，對分布式控製係（xì）統DCS進行參數（shù）調校。調好後的參數可（kě）以直（zhí）接下發到DCS係統裏（lǐ）麵。實際上，這樣一個軟件，分演（yǎn）多種角色，它最（zuì）重要的工（gōng）作就是動態工藝仿（fǎng）真，對溫度、流量變化等動態過程進（jìn）行提前仿真（zhēn）。而在此技術則（zé）作為仿真培訓的計（jì）算內核引擎，發展出來的操作員培訓係統OTS也廣受歡迎（yíng）。當年DCS出現之後（hòu），為了（le）適應這種控製係統，就需要對人員提前進行培訓。因此OTS也是大行其（qí）道。而OTS的出現，也推動了化工過（guò）程動態模擬軟件的發展。

在化（huà）工的控製優化方麵，中國走了不少彎路。根據中國化工信息中心的許老師的回顧，80年代末期，當（dāng）時的化工部已經開始著手進行工廠控製操作優化的課題研究。南京化工研究（jiū）院、化工部（bù）計算中心都（dōu）曾（céng）參加了這方麵軟件的（de）開發。但由於受限於計（jì）算機（jī）硬件（jiàn）的約束，數據采用離線分析，最（zuì）後發現這些（xiē）軟件和算法，都沒有實際使用價值（zhí）。這種數據即（jí）使算出了優化的工藝操作條件，而實際（jì）工廠的操作（zuò）條件早已（yǐ）變化。單純靠數學（xué）模（mó）型無法推斷出實際操（cāo）作。

這個教訓（xùn），到了今天（tiān）仍然有著很深的（de）意義。僅僅限於大數據的分析，限於數學模型的（de）回歸計算等，而缺乏機理模型的（de）研究（jiū），外延性（xìng）的誤差會很大。攻堅的重點（diǎn），不在於大數據的數（shù）學模型，而在於（yú）工業機理（lǐ）的本身。

從工（gōng）廠（chǎng）建（jiàn）築、到（dào）生產線布局、到機器調試，各種工業軟件就像是香蕉视频APP下载安装腦海中的智多星吳用，一個在數（shù）字空間裏麵將虛擬的人、機、料的事宜都安（ān）排得妥（tuǒ）妥當當的神機妙算（suàn）子。當虛擬的驗證結束之後，一個企業的生產活（huó）動才正式（shì）開始，而此前的推演並不為人所知。就像電影（yǐng）《博物（wù）館奇妙夜》一樣，當太陽升起人們走進現場的時候，他們不知道頭（tóu）一天（tiān）晚上，這（zhè）裏曾經上演過驚心動魄的對抗和妥協。白天不懂夜的黑，物理難悟數字心。無法現身的工業軟件（jiàn），是神跡與現實之間的一道障眼法。你不懂它，就無法參透工業智能化。