让仿真变成生产力.pdf

一直以来，CAE 因涉及学科广泛、模型复杂，被誉为“工业软件皇冠上的明珠”。2021年全球工业软件市场规模达到了 4561 亿美元，而中国工业软件市场规模为 2414 亿元人民币，仅占全球市场的 7.95%。然而，我国工业增加值占全球的比重却接近 30%，这说明我国在工业软件领域的发展与工业增加值的增长不相匹配，存在近 3 倍的差距。我国的工业软件，尤其是基础软件实力较弱，存在空心化的问题。目前，我国产业结构正处于重要的转型阶段，仿真软件生态也在不断进化，在企业研发数字化转型和研发体系进化过程中，自主研发仿真软件、对外提供仿真服务尤为重要。如何加强我国工业软件尤其是基础软件的开发和创新能力，将让仿真变成生产力田锋(安世亚太科技股份有限公司，北京 100025)摘要：中国企业普遍存在“大拿仿真”“假仿真”现象，仿真体系是“假仿真”的破解之道。从构成要素来看，综合仿真体系包含战略、成熟度、流程、标准、规范、人才、组织、软件、硬件及平台等。规划和建设是体系发展的两个阶段，仿真体系建设规划可分为近、中、远三个阶段，各阶段的建设目标分别是评价设计、优化设计和驱动设计；通过仿真体系建设，能够形成一套适应企业需求的综合仿真平台，从而充分发挥仿真体系产生的综合效能。只有建立科学和完善的仿真体系，才能保障仿真结果成为产品设计的依据，才能将仿真变成生产力，才能助力企业真正拥有“仿真驱动研发”的能力。关键词：综合仿真体系；仿真体系规划；仿真体系建设中图分类号：TP319 文献标志码：AFrom Simulation to ProductivityTian Feng(Pera Corporation Ltd.,Beijing 100025,China)Abstract:The phenomenon of Dana simulation and fake simulation is common in Chinese enterprises,and the simulation system is the way to solve the problem of false simulation.From the perspective of constituent elements,the comprehensive simulation system includes strategy,maturity,process,standards,norms,talent,organization,software,hardware,and platforms.Planning and construction are two stages of system development.The simulation system construction plan can be divided into three stages such as near,medium,and long-term.The construction goals of each stage are evaluation design,optimization design,and drive design.Through the construction of simulation system,a comprehensive simulation platform that meets the needs of enterprises can be formed,so as to fully utilize the comprehensive efficiency generated by the simulation system.Only by establishing a scientific and comprehensive simulation system can simulation results be considered as the basis for product design,and enterprises can turn simulation into productivity,so as to help them acquire the ability to drive research and development through simulation.Keywords:Comprehensive Simulation System;Simulation System Planning;Construction of Simulation System2024 年第 01 期 第 14 卷理论探索 Theoretical Exploration5仿真变成生产力，是各界亟待关注和解决的问题。2019 年，中国已进入一个新时代中等收入时代，同时面临中等收入陷阱，不可能完全照搬国外的模式，要想跨过中等收入陷阱，必须从要素驱动向创新驱动转变。要素驱动是逆向工程，创新驱动必须采用正向设计。跨越中等收入陷阱的过程中，企业如果不采用正向设计创新，则可能会落后于时代。正向设计的驱动力增强之后，仿真的驱动力一定会增强，拉力也就随之出现。正向设计的核心就是仿真，而仿真最好的时代才刚刚开始。所谓推力，就是用户打造体系化的能力，让仿真变成生产力。生产力的来源不是工具，是建立能力、体系化的过程，把流程、标准、规范、战略和平台都归为体系的一部分，如何把它们真正综合起来，建立一个体系能力，让仿真真正发挥作用，称之为“推力”。除了建立体系的能力，仿真还应真正嵌入正向设计过程中，避免“两张皮”，即：仿真是仿真、设计是设计的情形，要让用户和供应商都要发挥作用。另外，仿真要向智能化决策发展。现在的数字孪生体系可以带领很多数字化技术走向智能化，而仿真在其中发挥了重要作用，是数字孪生的左脑，只有嵌入智能化时代，仿真才能真正发挥作用，带来巨大效益，而不仅仅是一个设计工具。如今的全球工业中，仿真已经成为生产力，仿真技术逐步成为国际先进企业技术竞争的制胜法宝。在这些企业中，仿真技术的使用效益越来越高，在产品创新和技术突破方面的作用越来越大。但在国内，仿真普遍无法成为企业购买软件的理由。仿真活动中各种令人困惑的怪现象，特别是到处充斥的“假仿真”现象，让仿真的结果无法成为产品设计流程的依据。一、中国企业的“假仿真”现象分析以前多次提到“大拿迷局”形象地反映了中国仿真的现实和困局，是导致“假仿真”的主要原因1，即：对比仿真在国内外标杆企业的价值体现时发现，在国外企业，仿真是设计的必修课，是设计的必备手段；在国内企业，仿真只是设计的选修课，只有非用不可时，才会采用仿真技术。在标杆企业中，仿真可替代大多数试验，并在研发全流程中成为设计的重要依据；在国内企业，仿真只是试验的附属品，多数情况下应用在研发后期进行设计校核的流程中。在标杆企业，“仿真驱动研发”已经成为企业战略；在国内企业，仿真仍然是锦上添花。总体看来，仿真在国内企业的开发深度和使用效果上还有很大的上升空间。其实，国内外企业的仿真条件差别并不大：首先，双方使用的软硬件差别甚微，国内企业在数量和版本上甚至优于国外企业；其次，国内企业中仿真软件的使用人员与国外企业也无差别。国外企业的仿真人员中，华人比比皆是。条件差别不大，但仿真的命运却有天壤之别，原因何在？二、建立仿真体系是解决假仿真问题的关键途径面对复杂的问题，一个有效的解决途径是从更高的层面和更广的视角进行系统思考。为此，本文引入了社会技术学，正如上文所述，国内仿真问题是典型的社会技术学问题。从社会技术学模型看，仿真的确不是一项简单的技术，而是一项在人类社会中发挥作用的复杂技术，符合社会技术学特征。社会技术学是指运用社会学的理论、观点和方法，研究技术对社会的影响、作用以及协调发展的科学。社会技术学认为，社会技术体系由一个中心（战略）和三个要素（组织、技术、流程）构成。在数字化和云计算时代，本文增加一个载体：数字化平台。社会技术学模型从战略、组织、技术、流理论探索 Theoretical Exploration2024 年第 01 期 第 14 卷6程以及平台几个方面对体系进行分析。其中，战略是中心，组织、技术、流程围绕战略中心展开，平台是战略实现和体系落地的支撑和载体，由此构成“1-3-1”结构模型2，如图1所示。图 1 综合仿真体系模型一个中心：战略，决定了体系的愿景和使命；三个要素：组织（人）、流程、技术，它们决定了体系的运行模式；一个载体：平台，利用数字时代的便利性，为体系提供支撑。社会技术体系的发展通常从技术开始。当技术达到一定程度，需要进行社会化推广应用的时候，就必须明确战略体系，完善流程体系、组织体系及人才体系，最终形成完整和稳定的社会技术体系。在一个社会技术体系中，最不容易出问题的是技术，最容易出问题的是组织与流程。因此，建立完善的社会技术体系是保障技术良好应用的基础3。基于社会技术学模型，本文提出企业仿真体系模型，其关键要素还包括：企业仿真战略、体系成熟度模型、仿真标准与规范、仿真人才和组织建设、软硬装备规划和选型以及综合仿真平台的建设。三、企业仿真体系参考架构支撑企业仿真能力的不仅仅是仿真软硬件系统，而是由许多相互依赖、相互联系的要素构成并相互作用的一个复杂整体。从构成要素来看，综合仿真体系包含战略、成熟度、流程、标准、规范、人才、组织、软件、硬件及平台等，如图 2。图 2 综合仿真体系参考架构2024 年第 01 期 第 14 卷理论探索 Theoretical Exploration7（一）企业仿真战略制定仿真发展战略的制定是仿真体系建设的顶层指导原则，需要确定仿真体系对企业的重要程度。这决定了一家企业在仿真体系上以何种力度进行投资，因为不是每家企业都应该在仿真方面做重度投资，这需要根据企业整体战略和产品研发战略做出判断。对于将产品研发和创新作为最重要战略的企业来说，仿真应该成为最重要的投资之一。但是对于以来料加工为战略的企业，仿真也许不需要做重度投资，甚至不需要做任何投资。当然，企业的战略不是一成不变的，战略本身的进化路线也是战略规划的一部分。对于可预期的未来（几年），如果在产品研发创新方面有投入计划，仿真也应作为其配套的计划之一。（二）仿真体系成熟度规划在综合仿真体系的参考架构中，本文把成熟度和战略放到了同等位置，以示它的重要性。成熟度与战略是相伴而生的，它应与战略同时选择，也是仿真战略分阶段表达的一种方式。成熟度可让企业在仿真领域做出适时和准确的投资，不早不晚，不欠不溢。成熟度这个概念，也是考虑到企业发展的渐进性才提出的，所以仿真体系建设也应该采用渐进策略，按照成熟度规律逐步进化。在仿真体系建设之前，或者仿真体系建设获得阶段性进展后，对其成熟度进行评价有助于企业明确其当前位置，便于确定下一步的工作方向和重点。（三）仿真标准及规范建设仿真标准与规范是企业仿真最佳实践的结晶，是仿真技术提升的重要手段。仿真标准与规范建设是以仿真化的设计流程综合设计流程为前提的，所以基于仿真思维对设计流程进行改造和优化是仿真体系建设的关键内容之一，是仿真驱动设计的具体体现。通过分析企业研发特点及仿真现状，基于其核心研发活动，选取行业内标杆企业进行对标分析，梳理设计流程，找到流程中仿真性价比最高的环节，将仿真技术嵌入正确位置，并细化研发活动中各项仿真任务的技术标准和执行规范。（四）仿真人才与组织建设企业需要系统规划仿真人员配置、技术能力要求（KCI）、激励机制（KPI）、任职资格和分级标准，并制定能力培养计划。与普遍使用的 CAD 技术不同，仿真技术涉及数学、力学、电磁学、控制、优化等多种学科，对仿真人员的能力要求更高，他们一般应具备较强的数学力学理论基础、丰富的工程实践经验以及多种仿真软件使用能力等。用户通常需要数年的工程实践和持续培训提升，才能具备对仿真过程的控制能力及对仿真结果的评价能力。企业应创建并发展与仿真战略相适应的仿真组织，譬如仿真中心（科、室），并发展与之配套的文化与制度体系，包括组织使命、组织任务、组织文化、组织架构、部门职责、业务流程、跨部门协作等内容。专业的仿真组织除了执行企业各项重大仿真工作外，还负责仿真体系的规划、建设和能力提升工作。（五）仿真软硬件规划及选型 仿真软硬件是所有仿真活动开展的基础工具。仿真体系中的软硬件规划及配置主要是基于仿真战略，与企业产品研发特点及仿真需求结合，开展仿真软件及硬件体系的规划和选型，采购更恰当的软硬件种类和数量，完成仿真体系中软件资源的最优化配置，保障仿真软硬件投资。如有必要，可以建设企业的仿真私有云平台，以提高仿真相关资源的使用效率。（六）综合仿真平台建设综合仿真平台是将仿真体系相关的工具和技术、规范与标准、人才和组织集成而形成的一套数字化系统。通过综合仿真平台可以实现各类仿真相关的技术活动和管理工作的信息集成，共享仿真数据，规范仿真流程，还可通过对各类仿真软硬件工具的技术改进和配置优化，将大量人工处理过程用计算机替代，开展更高理论探索 Theoretical Exploration2024 年第 01 期 第 14 卷8效率、更广泛的多学科联合仿真。四、企业仿真体系的规划与建设中国仿真“大拿迷局”和“假仿真”现象只有通过仿真体系的建设才能得以解决。通过仿真体系建设方法论，将这些要素整合起来，才能发挥仿真的综合效能，让仿真具有研发赋能价值，实现仿真变成生产力的可能。“总体规划，分步实施”是社会技术体系建设的通用原则，仿真体系也是如此。规划和建设是体系发展的两个阶段：规划是从长远的视角来看，仿真体系未来蓝图如何，到达路线如何，而建设是沿着这条路线进发需要做哪些具体工作，从而实现预先规划好的蓝图。（一）仿真体系的规划仿真体系规划步骤依次包括现状诊断、蓝图设计、进化路线和路在脚下，如图 3 所示。图 3 仿真体系规划步骤企业对发展速率的承受能力是有限的，因此，仿真体系发展会划分为几个阶段来逐步进行，这几个阶段则根据成熟度模型来设计。1.现状诊断现状诊断主要是对标仿真体系理想模型，明确企业的发展战略、愿景和目标。首先，对企业各仿真相关部门的业务和软件真实现状、问题与痛点进行分析，对各部门发展期望和志向进行梳理，分析企业仿真现状对企业战略的支持程度，由此获得仿真体系发展的方向。然后，根据现状诊断结果，结合仿真体系成熟度模型，评估企业当前的仿真成熟度级别，获得仿真现状定位，并将此作为仿真体系发展的出发点。2.蓝图设计蓝图设计主要是根据现状诊断、体系发展方向以及企业仿真战略，提出全企业的仿真蓝图，描绘经过仿真体系建设后企业最终呈现的美好景象。这个蓝图看似距离现状比较遥远，但却是仿真体系变革不可或缺的指路明灯，也正是因为远，才具有明确和坚定的方向性。仿真体系蓝图设计方法实际上就是针对企业的具体情况，特别是企业的发展战略和远景目标，依据社会技术学模型，对理想业务模型的体系总体和各业务构件的社会技术学要素进行针对性设计。蓝图规划通常包含战略分析、流程规范与标准、组织与人才、技术与工具、综合仿真平台。3.进化路线通常，仿真体系建设路线和节奏无一定之规，只要符合成熟度进化模型即可。比较典型的规划建议：将仿真体系建设规划为近、中、远三个阶段，各阶段的建设目标分别是评价设计、优化设计和驱动设计。4.路在脚下蓝图形成、进化路线绘制完毕后，应制定清晰明确的项目目标，设计完整和详细的实施方案，进行工作分解，形成每项工作的技术方案、实现路径、进度规划、人员成本预算等，以便可以随时启动项目。（二）仿真体系建设路线企业仿真体系的建设是一个持续渐进的过程，其目标是，基于研发整体规划制定仿真战略，开展本企业的仿真体系成熟度评估，基于现有的软硬件技术工具及人才资源，针对企业研发活动中的仿真需求，寻找差距与不足。通过仿真体系建设，优化配置现有仿真软2024 年第 01 期 第 14 卷理论探索 Theoretical Exploration9硬件设备及人力资源，完善仿真组织结构，培养一支优秀的仿真团队，建立仿真技术标准与规范，完成软件与硬件的配置优化，形成一套适应企业需求的综合仿真平台，从而充分发挥仿真体系产生的综合效能。仿真体系的具体建设内容和建设路线如图4 所示，此路线描绘了如下的逻辑关系：（1）从企业现状出发，根据产品战略和产品研发战略选择相适应的仿真战略。（2）对传统设计流程进行仿真化改造，形成综合设计流程。（3）根据综合设计流程，提取关系紧密的仿真任务，建立多学科仿真流程。（4）通过对仿真流程的分析，结合行业规范形成仿真规范，利用试验标定建立仿真标准。（5）在规范和标准的指导下，进行组织建设和装备建设。在组织建设方面，进行任职资格、人员培养和考核激励制度的建设；在装备建设方面，进行软硬件的规划与选型，搭建企业仿真云。（6）在仿真体系建设的过程中，根据统一规划、分步实施原则，逐步建设整个仿真体系的信息化载体综合仿真平台。（三）仿真体系建设方法论作为一个综合系统，仿真体系的建设不是一场运动或一个项目，更不是一朝一夕所能完成的。方法论是这项工程的前提，是必不可少的基础。方法论为体系建设提供了各类细分工作的规定、标准和原则，以及配套的工具和模板。其目的是给出企业仿真体系成熟度每个级别的升级路线，每一级别给出 57 个阶段，每个阶段给出 57 个步骤，如图 5 所示。每个阶段中，每个步骤的工作相关信息均用增强的社会系统模型 SIPOC 模型约定：供应方（来源）输入过程输出客户（去向）表达，该模型由 10 个维度构成：来源（上游任务）、去向（下游任务）、输入数据、输出数据、咨询方工作、建设方工作、遵守的约束、工具与模板、参考的知识、标准工作量。鉴于仿真体系建设通常是在外部咨询机构的参与下完成的，此处提出了“咨询方工作”。仿真体系建设最终将形成包括仿真组织的架构图、仿真人员配置、团队培养计划、综合设计流程、多学科仿真集成流程、仿真标准手册、仿真规范手册、仿真软件硬件资源、综合仿真平台、仿真模板库等在内的调研报告、咨询报告、标准规范手册、建设规划和部署方案等一系列成果4。仿真体系建设过程一般由外部咨询公司配合企业完成。咨询公司提供全面的咨询服务和图 4 仿真体系建设路线 理论探索 Theoretical Exploration2024 年第 01 期 第 14 卷10图 5 仿真体系成熟度升级路线工具方法，以及配套的软硬件选型采购服务，协助企业梳理自身情况并针对关键仿真业务进行优化和改进。仿真体系建设应该是一项长期持续的工作，所以用户应在咨询外部咨询机构的过程中学会这套方法，自主开展调研、规划以及建设工作，实现仿真体系的持续改进和专业扩展。五、总结综上所述，只有建立科学和完善的仿真体系，才能保障仿真结果成为产品设计的依据，才能将仿真变成生产力，让企业拥有“仿真驱动研发”的能力。企业仿真体系是一种能力体系。从引进软硬件等条件开始，企业便初步拥有了一定仿真能力。但是，企业仿真能力建设过程中的大量实践也表明，一些企业把仿真能力建设与软硬件采购等同，而忽略了构成体系的其他要素。仿真软硬件很容易采购，国内企业的仿真软硬件配置基本与国外先进企业保持同步或接近，但仿真体系所蕴含的软能力无法购买，需要基于企业自身研发特点，开展系统的规划和持续建设5。参考文献：1 田锋.苦旅寻真:求索中国仿真解困之道 M.北京:机械工业出版社,2020.2 安筱鹏.重构:数字化转型逻辑 M.北京:电子工业出版社,2019.3陈立辉,卞孟春,刘建.求索:中国工业软件产业发展之策M.北京:机械工业出版社,2021.4 田锋.工业软件沉思录 M.北京:人民邮电出版社,2023.5 宁振波.智能制造的本质 M.北京:机械工业出版社,2021.作者简介：田锋，安世亚太科技股份有限公司高级副总裁，工业软件中心主任，高级工程师，北京市综合仿真实验室主任，数字孪生体实验室主任，研究方向：工业仿真、工业软件、数字化转型、数字孪生。2024 年第 01 期 第 14 卷理论探索 Theoretical Exploration11