製造其實（shí）是一趟漫長的旅程。它的（de）起點和終點，看上去一成不變（biàn），但其實也在不停的移動。而智能製造則將兩頭的邊界拓展（zhǎn）得更（gèng）遠。並非是從車間，也不是從研發部門，智能製造的起點可以從更遠端開始。智能製（zhì）造本身，其（qí）實也包含了生產支持係統的智能建造等含義，從（cóng）工廠的天花板，到生產線的布局，一直到機器開始正式運轉。這是一（yī）段沒有腳印的（de）虛擬旅途（tú）。正是無處不在的工業軟件，讓百米賽跑還沒有開始，製造就已經邁出了五十步。

一個工廠（chǎng）的機器擺放，是一門大學問。它需要（yào）從工廠層（céng）次的全局，來思考業務邏（luó）輯、物流及生產工藝（yì）。用戶借助廠房布局或者生產規劃軟件，可以對（duì）各級工序的材料流進行建模，從而實現廠房級的優化。而在當下時刻，也會針對全球的網絡化分布的生產（chǎn）設施尋找最佳的生產製（zhì）造策略。

這裏需要對（duì）工廠進行大（dà）工藝的設計，包括機器產線的布置、大門的（de）設置、物流的進出（chū）通道、線邊庫的布局等。當然，也包（bāo）括對人進出的設計。而一台台機器、穿梭補料的運輸設備等布局，跟整（zhěng）個生產線的工藝路線有著密切的關係。

同樣一台（tái）注塑機器，放在（zài）不（bú）同的廠房，甚（shèn）至進入不同的車間，它的布局方式會發（fā）生完全（quán）不同的變化。更重要的是，規劃（huá）師需要對各種工（gōng）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等（děng）。

這種產線的工藝仿真，顯然需要對機器本身有著更好的（de）認知和數據來（lái）源。在上個世紀末，如以色列的Technomatix、美（měi）國Deneb Robotics等許多專業的（de）仿真（zhēn）公司進入視野。而汽車行業，則對此厚（hòu）愛有加，紛紛采用（yòng），這大大促進了（le）這類數字化產線工藝仿真軟件的發展。由（yóu）於機器的數據，需要來自前麵的機器設計數據，這使得設計機械的（de）CAD廠商很快意識到這是要一塊不可丟失的（de）陣地，於是傳統的機械設計CAD廠商紛紛進入。前麵提到的兩個廠家也分別（bié）被收購。CAD廠商，也借此離開了原先（xiān）的設計部門的（de）邊界，開始在生產車間和廠房之間逡巡。

非常有意思的事（shì）情是人（rén）員流動的仿真，例如Anylogic仿真軟件（jiàn）。這家麵向行人仿真的（de）公司值得（dé）留存，因為終於（yú）在工業領域可以看到一家來自俄羅（luó）斯的軟件。它可以實現係統動力學、離散事件、智能體的建模仿真。它廣泛用於機場、博物館、地鐵等人流密集的地方，這些都需要深刻了解人的行為模型。人的行（háng）走會受到自激勵機製的影響，比如總想超越前麵的人等。這聽上去（qù）簡單，而工廠現場的事情，則要複雜得（dé）多。

複雜產品的訂單突然增（zēng）加，往往（wǎng）是苦惱人的（de）蜜糖。例如飛機的增（zēng）產，就（jiù）是（shì）一個複雜的過程，因為它需要重新評估（gū）產（chǎn）線的影響。由於產量（liàng）低，許多（duō）工作單（dān）元一般都是定製（zhì）化，部件生產又都在不同地域，抗幹擾的能力（lì）其實（shí）是很差（chà）的。這些因素，會導致擴產的時（shí）候（hòu），往往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（qǐ）了“自適應生產管理項目（mù）”，著重增加飛機和造船行業的新產品持續增長的能（néng）力。空（kōng）客也加入其中。A350在漢堡的裝配流水線（行業內俗稱脈動生產線（xiàn）），會完（wán）成對機身兩個不同（tóng）部位的裝配。它包含6個裝配站，每站包括30-35個員工和約300條的工作（zuò）指令（lìng）。這個產線的（de）生產力會（huì）隨時間推移（yí）而（ér）增長，整個增產周期持續（xù）兩年。在這裏（lǐ），每個工作站，都被看成是一個智能體。那麽這個過（guò）程如何進行仿真，如何修正（zhèng）人員（yuán）的操作和事件指令的下發，以（yǐ）適應增產帶來的變化。

圖1  空（kōng）客的自適應管理

作為自（zì）適應生產管理的一部分，必須有仿真（zhēn）軟件，使得參與者能夠再現真實的生產（chǎn）環境。AnyLogic憑借它基（jī）於智能體及離散事件的混（hún）合建模優勢而成功入（rù）選。而實際上，它也有很多排產、在製品策略管理等軟件。現場（chǎng）會（huì）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（lái）迎合需要。

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

與此同時，物料流動（dòng）也需要仿真。在精益體係中，物料是最有（yǒu）講究的一（yī）個環節。物料的位置、存量，背後都有著深刻的效（xiào）率密碼。可以說，物料是浪費程（chéng）度最紮眼的刻度尺。一（yī）個工廠（chǎng）內的物流，往往會通過倉儲物流軟件WMS，跟立體庫、運貨小車、叉車、托盤等（děng）物（wù）料（liào）設備，進（jìn）行（háng）著交互吞吐。原（yuán）材料、半成品、零部件、在製品等進（jìn）行（háng）空間大挪移的時候，背後是一套（tào）嚴格的生產計劃信（xìn）息流所主宰。

那麽，這（zhè）套每天奔騰不息的物品（pǐn）洪流，最早是如何從設想（xiǎng）變成事實？

一個企業的物（wù）流設計，往往（wǎng）可（kě）以通過業主邀請（qǐng）專業（yè）的物流谘詢公司，也可以由設計院負責。各種物料的設計核心，其實是（shì）對離（lí）散事件的仿真，最常用（yòng）的Automod軟件，也（yě）有（yǒu）美國Flexsim軟件和（hé）ProModel等。Flexsim在大型倉儲物流方麵（如京東的（de）立體庫房）等（děng）得到廣（guǎng）泛使（shǐ）用，在一些相對簡單的工廠，有不少應用，使用方便。而大的裝備製造業，也表現了對軟件的偏愛。很難想（xiǎng）象，Automod這個物流仿真（zhēn）軟件，其實是美（měi）國最大的半導體設（shè）備製造商應材旗下的軟件。早在2006年應材就以（yǐ）1.25億美（měi）元的代價（jià），從一家自（zì）動（dòng）化公司手中購買了此物流仿真公（gōng）司（sī），以便加速對半導體行（háng）業的柔性生（shēng）產力的支撐，避免昂貴和高（gāo）度定製化的產線方案。設備製造（zào）商旗下擁有商業軟件（jiàn）並不奇怪，三井（jǐng）造船廠也自己開發了（le）一款類似（sì）的（de）物流仿真軟件。這也算是一個日本軟（ruǎn）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（zhuān）業的大型（xíng）工業軟件公司也會（huì）提供物（wù）流（liú）係統仿真分析工具（jù），例如達索Delmia Quest和（hé）西門子（zǐ）的Plant Simulation、KUKA Visual Components。Quest作為一款物流仿真軟件（jiàn）是（shì）在2000年達索係統收購Deneb公司的時（shí）候，順便獲得的嫁妝之一。西門子的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經過進化而形成 。

對自動化供應商而言，需要將自動化與機（jī）器更加緊（jǐn）密地結合在一起，因此會有更大的積極性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（zhēn）為（wéi）特長的Arena軟件，55名員工（gōng）並入到羅克（kè）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（jì）剛剛開始（shǐ）的第一個年頭，發生了三起不太顯著的並購事件（應該還（hái）有更多），都跟工廠產線仿真有關係。這表明，物流仿真係統在世紀之初（chū），就堅（jiān）定地成為了（le）數字化產線的一部分。從那個時候，自動化（huà）跟軟件的關係（xì），開（kāi）始（shǐ）變（biàn）得緊密起來。這種萌芽發節的微弱之聲，在（zài）十五年之後借助（zhù）於德國工業4.0的全球化普及，而終於砰然作響，每個工廠都能聽到它的聲音。

如果有的規劃師是人（rén）因（yīn）工程的愛好者，需要將工位（wèi）設計得更複合人性（xìng），減少疲勞感。不妨還可以使用一家（jiā）德國公司的小軟（ruǎn）件，Ergonomic軟件進行工位評（píng）測（cè）。

從實施角度而言，機器產線（xiàn）布局需（xū）要跟另外（wài）一門博大精深的廠房內（nèi）管理學：工業工程相結合。多年來，作為自動化與工業工程相結合的一粒碩果，產（chǎn）線的優（yōu）化布（bù）局（jú），已經發育成熟，基本成為標配。然而包括物聯網在（zài）內的數字化技術的發展（zhǎn），這種機器、工位、物料、人員的布局與仿真，又有了更加有力的工具。數字工廠的先行者，想做的事情實在是太多了。

工（gōng）業軟件就像是不（bú）慌不忙的光線，從廠（chǎng）房的天（tiān）花板爬下來，淌過一條條產線，伴隨著立體庫中物料的（de）流動，彌漫了整個工廠。而當廠房與產線完成建模之後，就可以進入到（dào）機器（qì）仿（fǎng）真調試的環節。

機器被運進廠房（fáng）的時候，就像是一曲在數字空間早已編排好的旋律，每一台（tái）機器就像音（yīn）符一樣，隻需要安置在（zài）五線譜（pǔ）的對應位（wèi）置就（jiù）可以了。每個小段落之前，是弱音（yīn）P還是強音F早已經被作曲家精心打磨過。落地生根之後，演奏家們需要開始拿出自己的樂器進行合奏的嚐試。這（zhè）是一個現場機器調試的時刻，包括自動化、電氣、機械裝置需要開始磨合。各種組態，機（jī）器（qì）聯調，直到讓整個產線上的機器，聯（lián）動咆哮起來開始。然而，工廠的機器調試，遠不是樂章演奏那麽令（lìng）人愉快。恰好相反，這是一（yī）個耗費心力的苦差事（shì）。多少優（yōu）秀的工程人員，在這裏留（liú）下成噸的汗水。許多似乎打不開（kāi）的死結，成為現場（chǎng）工程師的夢魘（yǎn）之一。

如何讓現場的調試可以（yǐ）變得更短？最理想的（de）方法是，一（yī）條產線、一台機器，就像是（shì）一個USB插盤一樣（yàng），下載（zǎi）即可使用。這種理想的插拔（bá）式工廠，成為產線模擬仿（fǎng）真的（de）最高境界。要做到這一點，就要在前麵的產線布（bù）局的時候，同時加入各種設備的具體參數，對實時場景進（jìn）行仿真模擬。它將控製係統PLC，或者（zhě）一個線纜的（de）銘（míng）牌參數，都做成邊界條件，輸入到仿真係統（tǒng）。一言蔽之，產線，就像產品一（yī）樣，被（bèi）精密地（dì）進行設計。這是傳統自動化廠商，陌（mò）生的環（huán）境。而作為機（jī）器的控（kòng）製係統與（yǔ）連接者，和物料（liào）的（de）驅（qū）動者，自動化期望更往前走一（yī）步。數字化時代，加劇了（le）這種傾向。在數（shù）字化時（shí）代，如果沒有這種產線仿真技術，那麽（me）就會瘸（qué）一條（tiáo）腿。

西門子在2006年收購了UG這樣的PLM廠商之後（hòu），就先天性地擁有了產線布局的（de）仿真優勢，然而後進（jìn）一步（bù）延伸到機器虛擬調式。這（zhè）使得其它自動（dòng）化廠商的壓力非常（cháng）大，尤其是像（xiàng）羅（luó）克韋爾這樣體量（liàng）相對小的自動化公司。在最近3年，羅克韋爾有兩步布局值得關注。第一步是投資10億美元入股PTC，幾乎相當於PTC的年產（chǎn）值，換取一個戰略綁定。加強對機器設備的物聯網連接（jiē）能力，也是加強跟其它機器數據的連接（jiē）；第二步（bù），則在2019年初，收購一（yī）家（jiā）從事數字模擬的工程軟件開發商Emulate3D。這種並購的投入並不大，但對機器進入數字空間意味深長。該（gāi）軟件可以（yǐ）建立（lì）簡單的工廠模型，但其重點（diǎn）是（shì）可以跟控製係統（tǒng）進行連接，實現虛擬控製。也就是說，它雖然不能做工藝仿真，但可以做基於控製的仿（fǎng）真。Emulate3D作為一種PLC仿真程序，這正是羅克韋爾自動化需要補充（chōng）的（de）短板，可以為PLC和其它（tā）控製係統建立起虛擬調試的仿真空間，查看程序邏輯（jí）和結果（guǒ）。有意思的是，這家公司本來就是羅克韋爾的合作夥伴。張（zhāng）口吃掉小夥伴，在軟件生態領域太普遍了。這（zhè）種近親聯姻也是水到渠成的事（shì）情。

也有一些獨立廠商，如Industrial Physics。一方麵可以直接導入CAD模型（xíng），同時也可以虛擬測（cè）試PLC，形成PLC的數字（zì）孿生（shēng）。這樣的公司能夠獨立多久（jiǔ）也是打一個問號。很快也許就會被自動化公司一（yī）口吃掉。

而（ér）最後虛擬調試的結果將作為真實的代碼，直接下放到（dào）控製器。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（chōng）控製器仿真軟件，進入到了數字化產線。這也是每一台（tái）機器數（shù）字孿生得以發展的重要基礎。缺乏有效的控製手（shǒu）段，數（shù）字孿生就是一個連吊線都沒有的木偶。

四川一家焊（hàn）接裝備工程公司，為汽車車身提供自動化焊裝線。它在歐洲汽車廠（chǎng）的（de）一個產線（xiàn）項目，實（shí）現了全麵數字化產線虛擬調試。在中調試和遠程安裝指導，設備直接運輸到廠區並（bìng）實現一次調試成功，大大縮短了（le）調試時間（jiān）。產線的數字孿生，有了越來越堅實的基礎。

而在流程行業，這種虛擬調（diào）試則是非常普遍。例如施耐德電氣AVEVA基於（yú）DYNSIM為內核的虛擬調試與操作員培訓係統(OTS)，就是在設計階段，對分布式控製係統DCS進行參數調校（xiào）。調好後的參數可以直接下發到DCS係統（tǒng）裏麵。實際（jì）上，這（zhè）樣一（yī）個軟件，分演多種角色，它最（zuì）重要的工（gōng）作就是動（dòng）態工藝仿真，對溫度、流量變化等動態過程進行提前（qián）仿真（zhēn）。而在此技術則（zé）作為仿真培訓的計算內核引擎，發展出來的（de）操作員培訓係（xì）統OTS也廣受歡迎。當年DCS出現之後，為了適應這種控製係統，就需要對人員（yuán）提前進行培訓。因（yīn）此（cǐ）OTS也是大行其道。而OTS的出現，也推動了化工過（guò）程動（dòng）態模擬軟件的發展。

在化工的控（kòng）製優化方麵，中（zhōng）國走了不少彎路。根據（jù）中國化工信息中心的許（xǔ）老（lǎo）師（shī）的回顧，80年代末期，當時的化工部已經開始著手進行工廠控製操（cāo）作優化的課題研究。南京化工研究院、化工部計算中心都曾參加了這（zhè）方麵軟件的開發。但由於受限於計算機硬件的約（yuē）束，數據采用離線分析，最後發現這些軟件和算法，都沒有實際使用價值。這種數據即使算出了優化的（de）工藝操作條件，而實際工（gōng）廠的操作條件早已變化。單純靠數學模型無法推斷（duàn）出實際操作。

這個教訓，到了今天仍然有著很深的（de）意義。僅僅限於大數據的分析，限於數學模型的回歸計算等，而缺（quē）乏機理模型的研究，外延性的誤差會很大。攻堅的重點，不在於大數據的數學模型，而在於工業機理的本身。

從工廠建築（zhù）、到生產線布局、到機器調試，各種工業（yè）軟件就像是我們腦海中的智多（duō）星吳用，一個在數字空間裏（lǐ）麵將（jiāng）虛擬的人、機、料的事宜都安排得妥妥當（dāng）當的神機妙算子。當虛擬的驗證結束之後，一個企業的生產活動才正式開始，而此（cǐ）前的推演並不為人所知。就像電影《博（bó）物館奇妙夜》一樣，當（dāng）太陽升起（qǐ）人們走進現場的時候，他（tā）們不知道頭一天（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（hēi），物理難悟數字心。無法現身的工業軟件，是神跡（jì）與現實之間的一道障眼法。你不（bú）懂它，就無法參透工業智能化。