中國講兩化融合，第一個化是工業(yè)化，即工業(yè)技術(shù)（Industry Technology），由于中國的工業(yè)技術(shù)與世界先進(jìn)水平差距較大，因此我們要補(bǔ)工業(yè)化的課；第二個化是信息化，即信息技術(shù)（Information Technology），因為有華為這樣的世界一流公司，可以說，中國的信息技術(shù)和世界是接軌的。實際上，信息技術(shù)和工業(yè)技術(shù)的深度融合就是兩化融合。兩化融合內(nèi)容非常豐富。按照中國制造2025的部署，就是創(chuàng)新驅(qū)動、提質(zhì)增效、綠色發(fā)展、兩化深度融合為主線、智能制造為突破口。

　　智能制造的基礎(chǔ)是網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化。網(wǎng)絡(luò)化的含義是連接人、機(jī)、物，也就是物聯(lián)網(wǎng)或者工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，也稱為第二代互聯(lián)網(wǎng)。提起數(shù)字化就離不開數(shù)字模型和過程仿真，本文將主要論述這兩方面。當(dāng)然，數(shù)字模型是仿真的基礎(chǔ)，過程仿真是航空航天大規(guī)模應(yīng)用幾十年來特別擅長的領(lǐng)域，也是取得巨大成效的領(lǐng)域。

　　數(shù)字模型

　　數(shù)字模型有兩類，一類是工程模型，另一類是管理模型。其中，工程模型也分為兩類：產(chǎn)品模型和產(chǎn)品研制過程模型。本文重點研究產(chǎn)品模型和過程仿真。CAD（Computer Aided Design）技術(shù)是建立模型，CAE（Computer Aided Engineering）技術(shù)就是模型的確認(rèn)，即過程仿真。CAE的發(fā)展一直隨著計算機(jī)的硬件、軟件、操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫的發(fā)展而壯大。工業(yè)技術(shù)通常分為設(shè)計、制造和試驗三大類，從產(chǎn)品需求和市場調(diào)研開始，就可以做仿真，做方案設(shè)計時也要做仿真，做方案的特點是方案不止一種，做方案時要用多種方案來做優(yōu)化設(shè)計，并且要做大量的仿真對比，然后進(jìn)入工程研制階段的設(shè)計、試制、試驗過程，再進(jìn)行工程研制完成以后的設(shè)計定型，生產(chǎn)定型，批量生產(chǎn)，產(chǎn)品交付，最后到服務(wù)保障。整個工業(yè)體系中，仿真必不可少。

　　傳統(tǒng)的工業(yè)體系是物理或者叫實體（Physical）,基于物理的原型和模型，設(shè)計制造試驗，如果試驗時檢測產(chǎn)品的功能和性能滿足不了要求，就扔掉，然后再來一遍，這就是典型的以愛迪生為代表的傳統(tǒng)工業(yè)體系的試錯法。當(dāng)進(jìn)入了現(xiàn)代工業(yè)社會，就要在 Cyber虛擬空間用模型表達(dá)， CAD做機(jī)械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)、流體模型和過程模型，當(dāng)然，管理也有模型，如人力資源模型、財務(wù)模型、統(tǒng)計模型、質(zhì)量模型。有了模型，才有了美國機(jī)械工程師學(xué)會（ASME）提出的Y14.41標(biāo)準(zhǔn)，即 MBD（Model-Based Definition，基于模型的定義），后來美國又提出MBE（Model-Based Enterprise，基于模型的企業(yè)），這樣就完整了。一個企業(yè)，它既有產(chǎn)品又有管理，就可以打造一個全數(shù)字化的企業(yè)。還有系統(tǒng)工程，過去的系統(tǒng)工程現(xiàn)在提升為MBSE（Model-Based Systems Engineering，基于模型的系統(tǒng)工程），當(dāng)然基于模型的系統(tǒng)工程之上還有架構(gòu)設(shè)計，如企業(yè)架構(gòu)等。

　　在Cyber空間中，有了完整的數(shù)字模型進(jìn)入CPS（Cyber Physical System，賽博物理系統(tǒng)），模型就會直接從數(shù)字樣機(jī)映射成物理產(chǎn)品。當(dāng)然，試驗方式要有一個轉(zhuǎn)變，原先的試驗方式是100%的實物模型，做實物仿真或縮比模型，隨著社會的發(fā)展，實物仿真造價太高，那么該怎么辦？要考慮半實物模型、縮比模型、半實物仿真和半物理仿真嗎？未來隨著發(fā)展，一定是基于全數(shù)字模型的虛擬仿真，現(xiàn)在很多產(chǎn)品已經(jīng)不需要物理模型了，而是設(shè)計制造試驗實現(xiàn)全模型化。

　　仿真分級

　　講到智能，必須考慮人的問題。世界萬物，只有人有智能。第一次、第二次工業(yè)革命解決了什么問題？蒸汽機(jī)也好，電動機(jī)也好，解決的是機(jī)器取代人力。第三次、第四次工業(yè)革命出現(xiàn)了電腦和現(xiàn)在的工業(yè)4.0，它取代的是人的腦力勞動。我們要建設(shè)的工業(yè)體系，一定是人、機(jī)、物交互與深度融合的一個體系，其核心是CPS。

　　如何建立新的工業(yè)體系？首先是在Cyber環(huán)境中，完成產(chǎn)品的概念設(shè)計、方案設(shè)計、初步設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計、產(chǎn)品的分析仿真、工藝設(shè)計、工藝仿真、工裝設(shè)計、工裝仿真、裝配設(shè)計、裝配仿真等一系列流程，然后形成完整的產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)。其次是在計算機(jī)上建立的虛擬實驗環(huán)境中，不斷地找出產(chǎn)品設(shè)計的問題、工藝的問題等，然后改進(jìn)計算機(jī)模型。最后是再映射實物的試驗過程，這個就是Cyber Physical System，即完整的CPS架構(gòu)。但需要說明的是，CPS可小可大，小到一個智能化小產(chǎn)品PLC處理器，大到整個地球，都可以用CPS來形容，這個智能系統(tǒng)一定是人、機(jī)、物關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)。

　　1997年9月，錢學(xué)森在給清華大學(xué)工程力學(xué)系建系40周年的賀信中寫道：隨著力學(xué)計算能力的提高，用力學(xué)理論解決設(shè)計問題成為主要途徑，而試驗手段則變得次要了。由此，展望21世紀(jì)，“力學(xué)+電子計算機(jī)”將成為工程設(shè)計的主要手段，就連工程型號研制也是用“計算機(jī)+形象”來展示，稱為“虛擬型號研制（Virtual Prototyping）”，就是現(xiàn)在所說的數(shù)字樣機(jī)（Data Prototype）。

　　以液壓虛擬鐵鳥的研制為例。首先用機(jī)械CAD和CAE設(shè)計了鐵鳥的結(jié)構(gòu)樣機(jī)，用電子CAD和CAE設(shè)計了鐵鳥的控制系統(tǒng)數(shù)字樣機(jī)，由液壓系統(tǒng)CAD和CAE形成液壓子系統(tǒng)的數(shù)字樣機(jī)，然后再把控制數(shù)字樣機(jī)和液壓數(shù)字樣機(jī)裝配到結(jié)構(gòu)數(shù)字樣機(jī)上。這3個樣機(jī)形成了一個完整的全飛機(jī)液壓系統(tǒng)的數(shù)字樣機(jī)，將其和物理液壓試驗的臺架、試驗數(shù)據(jù)做關(guān)聯(lián)性分析，最后形成了一個液壓的虛擬鐵鳥。這個系統(tǒng)完成后，在其上做虛擬試驗，可減少20%的物理試驗成本。實際上在下一代飛機(jī)中，虛擬鐵鳥技術(shù)已經(jīng)推廣到了飛控系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、電子系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)中，這就是過程仿真的力量。

　　筆者認(rèn)為，仿真的發(fā)展才剛剛開始，因此這個行業(yè)是朝陽行業(yè)。其目標(biāo)是：縮短產(chǎn)品周期，降低產(chǎn)品成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。未來的研制方式就是仿真驅(qū)動的設(shè)計和研制方式。

　　通過對數(shù)字樣機(jī)的仿真分析和虛擬試驗來指導(dǎo)、簡化、減少、替代部分實物試驗，從根本上說，就是要解決計算的數(shù)字模型和分析是否正確，是否反映真實產(chǎn)品的特性，這必須通過大量的、科學(xué)的驗證試驗并形成數(shù)據(jù)庫和模型庫，從而改進(jìn)并保證產(chǎn)品設(shè)計和分析的正確性。