製造其實是一趟漫長的旅程。它的（de）起點和終點，看上去一成不（bú）變，但其實也在不停的移動。而（ér）智能製造則將兩頭（tóu）的邊界拓展得更遠。並非是從車（chē）間，也不是從研發部門，智能製造的起點可以從更遠端開（kāi）始。智能製造本身，其實（shí）也包含了生產支持係統的（de）智能建造等含義，從工廠的天花板，到生產線的布局，一直到機器開始正式運轉（zhuǎn）。這是一段沒有腳（jiǎo）印的虛擬旅途。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（gōng）廠的機器擺放，是一門大學問。它需要從工廠層次的全局，來思考業務邏輯、物流及生產工藝。用戶（hù）借助（zhù）廠房布局或者生產規劃軟件，可以對各級（jí）工序的材料流進行建模，從而實現廠房級的優（yōu）化。而在當下時刻（kè），也會針對全球的網絡（luò）化分布的生產設施尋找最佳的生產製造策（cè）略。

這裏需要對工廠進行大工藝的設計，包括機器產線的布置、大門的設置、物流的進出通道、線邊庫的布局等。當然，也包括（kuò）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（jú），跟整個生產線的工藝路線有著密切的關係。

同樣一台注（zhù）塑機器，放在（zài）不同的廠房，甚至進（jìn）入不同的車間，它的布局（jú）方（fāng）式（shì）會發生完全不同（tóng）的變化。更重要的是（shì），規劃師需要對各種工藝、裝配規劃等進行模擬仿真驗證，模擬整個生（shēng）產製造過程（chéng），在投入生產前就（jiù）得到驗證結果，並生（shēng）成清（qīng）單報表和指令等。

這種產線的工藝仿真（zhēn），顯然需要對機器本身有著更好的（de）認（rèn）知和數據來源。在上個世紀末，如以色列的Technomatix、美國Deneb Robotics等許多專業的仿真公司進入視野。而汽車行業（yè），則對此厚愛有加，紛紛采用，這（zhè）大大促進了這類數（shù）字化產線工藝仿真軟件的發展。由於機器的數據，需（xū）要來自前麵（miàn）的機器設計數據，這使得設計機械的CAD廠商很（hěn）快意識到這是要一塊不可（kě）丟失的陣地，於是傳統的機械設計CAD廠商紛紛進入。前麵提到的兩個（gè）廠家也分別被收購（gòu）。CAD廠商，也借此離開了原先的（de）設計部門（mén）的邊界，開始在生產車間和廠房（fáng）之間逡巡。

非（fēi）常有意（yì）思的事（shì）情是人員流動的仿真，例如Anylogic仿真軟件。這家麵向行人仿（fǎng）真的公司值得留存，因為終於在工業領域可以看到一家來自俄羅斯（sī）的軟件（jiàn）。它可以實現（xiàn）係統動力學、離散事件（jiàn）、智能（néng）體的建（jiàn）模仿真。它廣泛用（yòng）於（yú）機場、博物館、地（dì）鐵等人流密集的地方，這些都需要深刻了解人（rén）的行為模型。人的行走會受到自激勵機製的（de）影響（xiǎng），比如總想超越前麵的人等。這聽上去簡單，而工廠（chǎng）現場的事情，則要複雜得多。

複雜產品的訂單突然增（zēng）加，往往是苦惱人的蜜糖。例如飛機的增產（chǎn），就是一個複雜的（de）過程（chéng），因（yīn）為它需要重（chóng）新評估（gū）產線的影響。由於產量低，許多工作單（dān）元一般都是定製化（huà），部件生產又都在不（bú）同地（dì）域（yù），抗（kàng）幹擾的能力其實是很差的。這些因素，會導致擴產的時候，往往反而使得飛機生產周期的增加。

為了應對這種變化，歐盟發起了“自適應生產管理項目”，著重（chóng）增（zēng）加飛機和造船行業的（de）新產品持續增（zēng）長的能力。空客也加入其中。A350在漢堡的裝配（pèi）流水線（行業內俗稱脈動生產線），會完成對機身兩個不同部（bù）位的裝配。它（tā）包含（hán）6個裝配（pèi）站，每站包括30-35個員工和約300條的工作指（zhǐ）令。這個產線的生產力會隨時（shí）間推移而增長，整個增產（chǎn）周期持續兩年。在這裏，每個工（gōng）作站，都被看（kàn）成是一（yī）個智能體。那麽（me）這（zhè）個過程如何進行仿真，如何修正人員的操作和事件指令的下發，以適應（yīng）增產帶來（lái）的變化。

圖1  空（kōng）客的自適應管理

作為自適應生產管理的一部分，必須有仿（fǎng）真軟件，使得參與者能夠再現真實的生產環境。AnyLogic憑借它基於（yú）智（zhì）能體及離散（sàn）事件（jiàn）的混合建模優勢而成功入選。而實際上，它也有很多排產、在製品策略管理等軟件。現場會有很多古怪的場景（jǐng），和工藝需求，於是就（jiù）會有（yǒu）想（xiǎng）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，也有來自英國的（de）MassMotion。值得一提的是，後者參與了北京大興機場的客流仿真（zhēn），這個機場每年要（yào）為4500萬人次提供服務。人員流動與緊（jǐn）急疏散，是必須要考慮的問題。

與此同時（shí），物（wù）料流動也需要仿真。在精益體（tǐ）係中，物料是最有講究的一個環節。物料的位置、存量，背後都有著深刻的效率密（mì）碼。可以說，物料是浪費程度最紮眼的（de）刻度尺。一個（gè）工（gōng）廠內的物流，往往會通過倉儲物流軟（ruǎn）件（jiàn）WMS，跟立體（tǐ）庫（kù）、運貨小車、叉車、托盤等物料設備，進行著（zhe）交互吞吐。原材料、半成品、零部件、在製品等進行空間（jiān）大挪移的時（shí）候，背後是（shì）一套嚴格的生產計劃信息流所主宰。

那麽，這套每天奔騰不息的物品洪（hóng）流，最早是如何從設想變成事實？

一個企業的物流設計，往往（wǎng）可以通過業主邀請專業的物流谘詢公司，也可以由設計院負責。各種物料的設計核心，其實是對離散事件的仿真，最常用的Automod軟件，也有美國Flexsim軟件和（hé）ProModel等。Flexsim在大型倉儲物流方麵（如京東的立體庫房）等得（dé）到廣泛使用，在一些相（xiàng）對簡單的工廠，有不（bú）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愛。很難想象，Automod這個物流仿真軟件，其實是美國最大的（de）半導體設備製造商應材旗下的軟件。早在2006年（nián）應材就以1.25億美元的（de）代價，從一家自動化公（gōng）司（sī）手中購買了此物流（liú）仿（fǎng）真（zhēn）公司，以便加速對半導體（tǐ）行業的柔性生產力的支撐，避免昂貴和高度定製化（huà）的產線方案。設備製造商旗下擁有商業軟件並不（bú）奇（qí）怪（guài），三井造船廠也自己（jǐ）開發了一（yī）款（kuǎn）類（lèi）似的物流仿真軟件。這也算是一個（gè）日本軟件發展特色，在（zài）垂直領域，總是會有意（yì）外的專業軟件。

圖2  部分物流仿（fǎng）真軟件

當然，專業的（de）大型工業軟件公司也會（huì）提供物（wù）流係統仿真分析工具，例如達索Delmia Quest和（hé）西門子的Plant Simulation、KUKA Visual Components。Quest作（zuò）為一款物流仿真軟件是在（zài）2000年達索係統收（shōu）購Deneb公司的時候，順便獲得的嫁妝之（zhī）一。西門子（zǐ）的Plant Simulation也是同樣的故事（shì）。它旗下的UG在收購Technomatix的時候，帶來的eM-Plant經（jīng）過進化而（ér）形（xíng）成 。

對（duì）自動化（huà）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（róng）合。這就是為什麽早（zǎo）在2000年，羅克韋爾收購了以建模仿真為特長的Arena軟件，55名員工並入到羅克韋爾自動化公司（sī）軟件部（bù）門（mén），並一直保留至今。現在（zài）想起來（lái），二十一世紀剛剛開始的第一個年頭（tóu），發生了三起不太顯著（zhe）的並購事件（應該還有更多（duō）），都跟工廠產線仿真有關係。這表明，物流仿真（zhēn）係統在世紀之初，就堅定（dìng）地成為了數（shù）字化產（chǎn）線的一部分。從那個時候，自動化（huà）跟軟件的關係，開始變得緊（jǐn）密起（qǐ）來。這種萌芽發節的微弱之聲，在（zài）十五年之後借助於德國工業（yè）4.0的全（quán）球化普及，而終（zhōng）於砰然作響，每個工廠都（dōu）能聽到它的聲音。

如果有的規（guī）劃師是人因工程的愛好者，需要將工位設計得更複合人（rén）性，減少疲（pí）勞感。不妨還可以使用一家德國公司的小軟件，Ergonomic軟件進行工位評測。

從實施角度（dù）而言，機（jī）器產線布局（jú）需要跟另外一門博大精深的廠房內管理學：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，產線的優化布局，已經發（fā）育成熟，基本成為標配。然而包括物聯網（wǎng）在內的數字化（huà）技術的發展，這種機器、工位、物料、人員的布局與仿真，又有（yǒu）了（le）更加（jiā）有力的工具。數（shù）字工廠（chǎng）的先行者（zhě），想做的事情實（shí）在是太多了。

工業軟件就像是不（bú）慌不忙的光線，從廠房的天花板爬（pá）下來，淌過（guò）一條條產線，伴隨著立體庫中（zhōng）物料的流動，彌（mí）漫了整個工廠。而當廠房與產線完成建模之（zhī）後，就可以進（jìn）入到機器仿真（zhēn）調試的環節。

機器被運進廠房的時候，就像（xiàng）是一（yī）曲在數字空間早已編排好的旋律，每一台機器就（jiù）像音符一樣，隻需要安置在五線譜的對應位置就（jiù）可以了。每個小段落之前，是弱音P還（hái）是強音F早已經被（bèi）作（zuò）曲家精（jīng）心打（dǎ）磨（mó）過。落地（dì）生根之後，演奏家們需要開始拿出自己的（de）樂器進（jìn）行合（hé）奏（zòu）的（de）嚐（cháng）試。這是一個現場機器調（diào）試的時刻，包括自動化（huà）、電氣、機（jī）械裝置需要開始磨合。各（gè）種組態，機器聯調，直到讓整個產線上的機器，聯動咆哮起來開始。然而，工廠的機（jī）器調試，遠不是樂章演奏那麽令人愉快。恰好相（xiàng）反，這是一個耗（hào）費（fèi）心力的苦差事。多少優秀的工程人員，在這裏留下成噸的汗水。許多似（sì）乎（hū）打不開的死（sǐ）結，成為現（xiàn）場工（gōng）程師的夢魘之一（yī）。

如何讓（ràng）現場的調試可以變得更短？最理想的方法是，一（yī）條產線、一台機器，就（jiù）像（xiàng）是一個USB插盤一樣，下載即可使用。這（zhè）種理（lǐ）想的插拔式工廠，成為產線模擬仿真的最高境界（jiè）。要做到這一點（diǎn），就要在前麵的產線布局的時候，同時加入各種（zhǒng）設備的具體參數，對實時場景進行仿真模擬。它將控製係統（tǒng）PLC，或者一個線纜的銘牌參數，都做成邊界條件，輸入到仿真係統。一言蔽之，產線，就像產品一樣，被精密地進行設計。這是傳統自動化廠商，陌生的環境。而作（zuò）為機器的控製係統與連接者，和物料的驅動者，自動化期望更往（wǎng）前走一步。數字化（huà）時代，加（jiā）劇了這種傾向。在數字化時代，如果沒有這（zhè）種產線仿真技術（shù），那麽就（jiù）會瘸一條腿。

西門子在2006年收購（gòu）了UG這樣的PLM廠商之後，就先天性（xìng）地擁有了產線布局的仿真（zhēn）優勢，然而後進一步延伸到機器（qì）虛擬調式（shì）。這使得其它自動化（huà）廠商的壓力非常大，尤其是像羅克韋爾這樣體量相對小的自動化公司。在最（zuì）近3年，羅克韋爾（ěr）有（yǒu）兩步布局值得關注。第（dì）一步（bù）是投（tóu）資10億（yì）美元入股PTC，幾乎相當於PTC的年產值，換（huàn）取一個戰略綁定。加強對機器設備的物聯（lián）網連（lián）接能力，也是加強跟其它機器數據的連接（jiē）；第二步，則在2019年初，收（shōu）購（gòu）一家從事數字模擬（nǐ）的工（gōng）程軟件開發商Emulate3D。這種並購的投（tóu）入並不大，但對機器進入數字空（kōng）間意味（wèi）深長。該軟件可以建立簡單的工廠模型，但其重點是可以跟控製係統進（jìn）行連接，實現虛擬（nǐ）控製。也就是說（shuō），它雖然不能做工藝（yì）仿真，但可以做基於控製的仿真。Emulate3D作為一（yī）種（zhǒng）PLC仿真程序，這正是羅克韋爾自動化（huà）需要補充的短板，可以為PLC和其它控製係統建立起虛（xū）擬（nǐ）調試的仿真空間，查看程序邏輯和結果。有意思的是，這家公司本來就是羅克韋爾的合作夥伴。張口吃掉小夥（huǒ）伴，在（zài）軟件生態領域太普遍了。這種近親聯姻也（yě）是水到渠成的事情。

也（yě）有一些獨立廠商，如Industrial Physics。一方（fāng）麵可以直接導入CAD模型，同時也可以（yǐ）虛擬測試PLC，形成PLC的（de）數字孿（luán）生。這樣的公司能夠獨立多久也是打一個問號。很（hěn）快也許就會被自動化公司一口（kǒu）吃掉。

而最後虛擬（nǐ）調試的結果（guǒ）將作為真實的代碼，直（zhí）接下放到控製器。現場（chǎng）的調試時間，都會大幅度縮短。這意味著，自動化廠商，通過擴充控製器仿真軟件，進入到了數字化產線（xiàn）。這也是每一台機器（qì）數字孿生得以發展（zhǎn）的重要基礎。缺（quē）乏有效的控製手段（duàn），數字孿生就是一個連吊線（xiàn）都沒有的木偶。

四（sì）川（chuān）一家（jiā）焊接裝備工程公司，為汽車車身提（tí）供自動化焊裝線。它在歐洲汽車廠的一個產線項目，實現了全麵數（shù）字化產線虛擬調試。在中調試（shì）和遠程安裝指導，設備直接運輸到廠區並實現一次調試成功，大大縮短了調試（shì）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，這種虛擬調試（shì）則是非常普遍。例如施耐德電氣AVEVA基於DYNSIM為內核的（de）虛擬調試與（yǔ）操作員培訓係統(OTS)，就（jiù）是在設計階段，對分（fèn）布式控製係統DCS進行參數調校。調好後的參數可以直接下發到DCS係統（tǒng）裏麵。實際上，這樣一（yī）個軟件，分演多種角色，它最重（chóng）要的工作就是（shì）動態工藝（yì）仿真，對溫度、流量變化（huà）等動態過（guò）程進行提前仿真。而在此技術則作為仿真培訓的計算內核引擎，發（fā）展出來（lái）的操作員培訓係統OTS也廣受歡迎。當年DCS出現之後（hòu），為了適應這種控製係統，就需要對人員提前進行培訓。因此（cǐ）OTS也（yě）是大行其道。而OTS的出現，也推動了化工過程動態模擬軟件的發展。

在化工的控製優化方麵，中國走了不少（shǎo）彎路。根據中國化工信息中（zhōng）心的許老師（shī）的回顧，80年代末期，當時（shí）的化（huà）工部已經開始著（zhe）手進行工廠（chǎng）控製操作優化的課題研究。南京化工研究院、化工部計算中心都曾參加了這方麵軟件的開發。但由（yóu）於受（shòu）限於計算機硬件的約束，數據采用離線分（fèn）析，最後發現（xiàn）這些軟件和算（suàn）法，都沒有實際使用價值。這種數據即使算（suàn）出了優化（huà）的工藝操作條件（jiàn），而實際工廠的操作條件早（zǎo）已變化。單純靠數學模型無法推斷出實際操作。

這個教（jiāo）訓，到了今天仍然有著很深的意義。僅僅限於大數（shù）據的分析，限於（yú）數學模型的回歸計（jì）算等，而缺乏機理模型的（de）研究，外延性（xìng）的（de）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（cóng）工（gōng）廠建築、到生（shēng）產線布局、到機器調（diào）試，各種（zhǒng）工業軟件就像是（shì）我們腦（nǎo）海中的智多星吳用，一個在數字空間裏麵將虛擬的人、機、料（liào）的事宜都安排得妥妥當當的神機妙算子。當虛擬的驗證結束之後，一個企業的生產（chǎn）活動才正式開始，而此（cǐ）前的推演並不為人（rén）所知。就像電影《博物館奇妙夜》一樣，當太陽升起人們（men）走進現場的時候，他們（men）不（bú）知道頭一天晚上，這裏曾經上演（yǎn）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，是神跡與現實之間（jiān）的一道（dào）障眼法。你不懂它（tā），就無法參透工業智能化。