導讀：2023年10月28日，由中國自動化學會主辦的2023國家工業軟件大會在浙江湖州盛大開幕。大會以“工業軟件·智造未來”為主題，匯聚了25位國內外院士，1500余位代表，共同探討工業軟件領域前沿理論和技術創新應用問題，共同謀劃我國工業軟件未來發展之道。
逯代興教授受邀在2023國家工業軟件大會中作題為“高效電驅仿真云平臺工業軟件”的專題報告。介紹了浙江清華長三角研究院智能制造工業軟件研究中心經過多年的研究以及軟件開發，成功推出了AFC Transmission以及AFC Motor兩款工業軟件。AFC Transmission用于減速器系統的設計仿真分析，可以進行減速器的結構設計，三維呈現，并能進行減速器效率、壽命等的仿真分析；AFC Motor可以進行電機二維有限元模型的建立和仿真，可以進行面向效率的電機氣隙、沖片形狀等設計參數優化。從而實現對電驅系統，或電機、減速器單一系統的仿真分析。仿真結果與國外同類軟件基本一致，可以達到國產軟件替代水平。
高效電驅仿真云平臺工業軟件
一、工業物聯網平臺
工業物聯網平臺是我們與德國合作的重要項目，尤其與德國的工業4.0平臺密切相關。在推動智能制造和工業4.0的進程中，德國采取了一項重要的舉措，即成立了由國家兩個部委聯合領導的國家級工業4.0平臺，如圖1所示。這一平臺由政府主導，匯聚了左側的科研機構形成專家委員會，右側包括一些企業和協會來進行推廣和實施。值得一提的是，我們的德國合作方Ander院士擔任專家委員會的首席科學家。
圖1 德國工業4.0
在德國推動工業4.0的過程中，采用了國家創新中心的模式。這一模式首次由Anderl院士團隊在德國的達姆施塔特工業大學得以實施， 2016年建立了第一個國家創新中心。這種成功的經驗隨后在德國全境范圍內進行復制，目前已經建立了27個類似的創新中心。這一舉措有助于推動工業4.0的發展，并為實施和展示相關技術提供了示范平臺。
德國國家創新中心在達姆施塔特工業大學的組成形式非常豐富，包括研發中心、智能工廠作為示范中心、培訓中心、以及為企業提供的示范平臺，如圖2所示。其中，達姆施塔特工業大學的
智能制造工廠是一個典型的例子。這個工廠中的所有生產線和設備都是一比一復制德國博世公司的生產線，并在此基礎上進行了智能化升級和改造，使其生產效率提高了約40%。
圖2 德國國家創新中心
此外， Anderl院士團隊受德國機械與制造商協會（VDMA）邀請，撰寫并發布了《德國中小企業工業4.0實施指南》。這份指南實際上是德國國家授權的實施指南，旨在指導德國的中小企業實現智能化升級。目前，它已經協助了德國300多家中小企業成功實現智能化轉型。該指南的核心是工業4.0工具箱，圖3右側是一個示例，其中列出了智能制造的各項指標。每個指標點都對應不同的級別，比如第一個指標是產品集成傳感器和執行器的程度，我們可以通過紅色部分評估企業現有產品的情況，并了解達到數字孿生所需的程度。這種工具箱使企業能夠直觀地了解其現狀以及實現產線智能化升級所需達到的要求。
圖3 工業4.0工具箱
Anderl院士團隊在德國通過國家創新中心模式成功推廣了工業4.0技術后，積極尋求與中國的合作，于2018年與中國工程院院長李曉紅會晤，合作了首個中德智能制造示范典范工程項目。該項目的核心成果是基于云平臺的全球數字孿生示范平臺，如圖4所示，其中一個顯著的優點是，它是一個云平臺，能夠連接不同地區的合作伙伴，包括中國上海、嘉興、中國臺灣地區、韓國首爾理工大學以及巴西的圣保羅大學等，將它們的設備都連接到同一平臺上，使得所有合作方在得到授權的情況下，能夠互相控制不同地區的平臺。該示范平臺有望促進國際合作，推動智能制造的發展。
圖4 云端共享全球數字孿生示范平臺
通過與Anderl院士團隊的合作，智能制造工業軟件研究中心提供以下工程服務，如圖5所示。首先，提供智能制造升級咨詢服務，幫助企業實現智能化產線升級。其次，提供智能制造培訓服務，以培養員工的智能制造技能。此外，依托云平臺，幫助企業建立產線數字孿生示范平臺，能夠與企業的網站進行互聯操作，或者幫助企業建立依托于公有云或私有云的平臺。最后，中心還能幫助企業建立符合其現有生產線的微型示范模型。利用工業級的PLC和工業級物聯網等技術，構建適用于企業現有產線的小型縮微示范模型，幫助企業快速、直觀的看到智能制造升級帶來的好處。
圖5 中心智能制造領域主要服務
在進行智能化升級咨詢時，我們的目標是將傳統的自動化工業3.0模式升級為現代化的智能化的工業4.0模式。自動化工業3.0通常采用自動化三角形的模式，用于管理固定訂單，4.0模式的目標是實現一個滿足個性化需求、靈活互聯、能夠相互通信的智能化模式。具體而言，我們希望將這種從3.0到4.0的變革可視化，將3.0自動化三角形的模式轉化為4.0基于工業物聯網平臺的柔性化生產線。通過不同的智能平臺，如手機和電腦，實現實時遠程控制，以滿足個性化需求并提升生產效率。
圖6是微軟在2021Ignite大會上發布的宣傳片，場景中，有一位現場工作的員工，還有一位佩戴AR眼鏡的同事和一位佩戴VR眼鏡的同事。這兩位同事的圖像可以在現場工作的員工的AR眼鏡中呈現出來，他們共同協作進行飛機軌跡規劃等任務。該場景具有以下特點：既有線上成分，也有線下成分；既有虛擬元素，也有現實元素；并且是通過實時通信的合作方式來實現。值得注意的是，盡管這是一個創新性的應用，但實際上，微軟等公司還沒有將這種概念性宣傳片轉化為實際產品。
圖6 數字孿生場景
這種工業元宇宙平臺的實現方式非常引人注目。首先，現場工作人員使用手控制實際的機器人或設備。在操作實體時，虛擬模型也會隨之做出相應的反應。這意味著當實體進行動作時，所有的虛擬模型也會同步運動，實現了從“實”到“虛”的控制。該互動方式使操作員能夠在現實和虛擬世界之間進行實時協作和控制，從而提高了效率和協同工作的能力。
相反的，在“虛”控“實”的過程中，通過網絡，實際實體會進行相應的運動。這是一個虛擬控制實際的過程，說明了數字孿生的雙向性。圖7是同事在家中使用AR眼鏡，通過在空中點擊這些面板來進行控制和合作。整個過程他們通過Zoom會議進行連接，這使得四位同事可以在不同地點，同時進行虛擬和現實的合作。這基本實現了微軟所倡導的全球遠程協作的過程，通過數字技術打破地理障礙，實現高效的協同工作。
圖7 全球遠程協作
圖8底部的動畫顯示了一個實際的生產線。然而，在這個實際生產線內，仍然可以看到虛擬模型，這個虛擬模型可以在實際的生產線上移動，對實際零件進行操作，并進行虛擬裝配。所有的操作步驟都通過云平臺進行，因此可以在世界上任何位置，通過網絡來實現。此外，當前的界面是云平臺的網絡界面。除了數字孿生的反饋和視頻之外，還可以查看每個執行器的狀態。例如，在這里，列出了分揀裝置和其他所有執行器的開關情況，也可以視為一個簡單的MES系統。這種整合數字孿生和實際生產的方式具有巨大的潛力，可以提高生產效率和質量，同時提供全球范圍內的遠程監控和協作。
圖8 數字孿生技術—YWA云平臺
同時，浙江清華長三角研究院智能制造工業軟件研究中心還提供基于數字孿生技術的智能制造技術培訓，可以頒發人事廳授權的數字孿生應用操作員證書。我們的培訓以應用為導向，包括上百小時的課程，可在我們的平臺上找到。此外，我們還提供在線課程，由AI教師進行講解，以幫助學員更好地理解和應用知識。在培訓過程中，學員有機會參與創建數字孿生的小型示范模型，從而將所學技能付諸實踐。我們的培訓注重理論與實際操作相結合，旨在提高學員的數字孿生技能水平，促進數字孿生技術在智能制造領域的廣泛應用，為企業提供強有力的技術支持，并提供優秀的專業人才儲備。
培訓課程分為基礎課程、高級課程和專家課程。基礎課程針對20到40名學員，采用在線授課的方式，由資深培訓師或使用AI教師進行講授。基礎課程內容包括工業4.0、數字化轉型、生產效率提升、信息安全、新商業模式等多個領域，為學員提供堅實的知識基礎。這些課程旨在幫助學員深入了解智能制造和數字孿生技術，為他們在實踐中提供有力的支持。
高級課程以基礎課程為基礎，采用線上線下混合的教學形式。學員將參與共同完成工業案例，并邀請知名的講師，包括德國工業4.0領域的專家和英文講師。這些高級課程涵蓋數字孿生、AR（增強現實）、VR（虛擬現實）以及工業元宇宙等領域的內容，進一步加深學員的專業知識和技能，使他們能夠在智能制造領域取得更高的成就。通過線上線下混合的學習方式和實際案例的參與，學員將獲得更豐富的教育體驗。
專業課程專門針對企業高級管理人員，如企業CEO、CTO、CFO等管理人員，為他們提供可私人定制的模塊化課程。這些課程由專家面對面授課，以滿足不同企業的具體需求。此外，還提供前往德國大廠，如博世和奔馳等參觀的機會。
該培訓課程包括三維設計、3D打印制造技術以及工業級的PLC柔性化編程。智能制造工業軟件中心聯合德國合作團隊在柏林、達姆施塔特、里德斯海姆和法蘭克福等地建立了示范平臺，以推動智能制造領域的發展。
二、電驅系統仿真軟件
浙江清華長三角研究院智能制造工業軟件中心同時開發了一款高效的電驅系統仿真軟件。該軟件的初衷是對國外傳動系統軟件存在的問題的進行優化，包括傳統軟件復雜的模型數據輸入、版本混亂以及用戶工程經驗要求較高等問題。在AI技術的背景下，我們致力于實現自動化的開發流程，以提高開發效率并更好地滿足未來需求。
因此，我們決定開發一款自有的工業軟件，專注于傳動系統的高效開發。為了驗證市場潛力，公司進行了市場分析，單以汽車仿真市場為例，圖9顯示了從2017年到2025年汽車仿真市場規模的預測，到2025年有望達到26.6億元。
圖9 機械傳動系統仿真軟件市場規模舉例
經過多年的軟件迭代和開發，中心推出了一款擁有自主知識產權的機械傳動系統仿真軟件，如圖10所示。這款軟件包括機械傳動系統零件級別仿真模擬模塊、系統仿真分析模塊以及CAD/CAE協同模塊，集成了智能數據管理、自動評價、仿真結果分析、AI學習和版本管理等多項功能。這一全面的功能組合使其成為一款較國外同類軟件功能更強大的傳動系統仿真分析工業軟件。
圖10 愛弗凱工業軟件
該工業軟件基于ISO國際標準，能夠耦合有限元模型和多體動力學模型，以進行系統內機械零件的仿真分析。用戶可以輕松進行傳動系統的靜力學分析、動力學分析，以及系統效率和壽命分析等。該軟件提供在線和離線兩個版本，圖11展示的是在線版本，用戶可以通過網址訪問軟件，自動生成三維模型，輸入所需信息進行仿真分析，最終生成所需的報告。此外，用戶還可以將在線仿真轉移到離線版本，在離線版本中進行全面的動力學和靜力學仿真。用戶還可以將三維模型導入其他工程軟件，進行修改后再將修改后的模型導回到AFC軟件，根據新的模型進行仿真，并迅速生成報告，以供工程師使用。
圖11 軟件網頁界面
愛弗凱軟件在算法上具有詳細的齒輪參數計算的功能。齒輪的參數通常相對復雜和多樣化，而在傳統的機械CAD軟件中，齒輪的模型通常不夠精確。為了實現更準確的仿真，最終采用了齒輪加工理念，對齒輪模型進行了建模，以獲取更精確的齒輪齒廓模型。
此外，它還允許單個零件、單個軸系或整個系統的開發和驗證。我們的軟件是基于最新的HTML技術框架構建的，獨立于操作系統，因此用戶可以在macOS或Windows等不同操作系統上使用，只需具備網絡連接和瀏覽器即可。并且我們還提供全面的SaaS支持，通過一些新的技術，可以對每個模塊進行獨立的快速升級，使用戶能夠無感地享受到軟件的更新升級，這是基于SaaS和云平臺的優勢。
此外，愛弗凱軟件還提供公有云或私有服務器的服務選項，以確保用戶的信息不會被泄露。我們的計算核心采用最新的國內外模型，仿真結果與實驗結果以及行業領軍廠商Romax公司的結果進行對比，表明其可以滿足各種使用需求，實現國產替代。我們的仿真模塊包括系統動力學分析、傳動軸載荷分析、軸承壽命分析、齒輪TE分析、齒輪壽命和齒面分析、效率分析等，涵蓋了傳動系統仿真的各個方面。這些功能使用戶能夠進行全面的仿真分析，確保他們的機械傳動系統能夠正常運行并具有良好的性能。
*本文根據作者在2023國家工業軟件大會上所作報告速記整理而成
