製造其實是一趟漫長的旅程（chéng）。它的起點和終點，看上去一成不變（biàn），但（dàn）其實也在不停的移動。而智能製造（zào）則將兩頭的（de）邊界拓展得更遠。並非是從（cóng）車間，也不是從研發部門，智能製造的（de）起點可以從更遠端開始。智（zhì）能製造本身，其實也（yě）包含了（le）生產支持係統的智能建造等含義，從工廠的天花板，到生產線（xiàn）的布局，一直到機器開始正式運轉。這是一段沒有腳印的虛擬（nǐ）旅途。正是無處不在的工業（yè）軟件，讓百（bǎi）米賽跑還沒有開始，製造就已經邁出了五（wǔ）十步。

一個工廠的機器擺放，是一門大（dà）學問。它（tā）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（yòng）戶借助（zhù）廠房布（bù）局或者生產規劃軟（ruǎn）件，可以（yǐ）對各（gè）級工序的材料流進行建模，從而實現廠（chǎng）房（fáng）級的優（yōu）化。而在（zài）當下時刻，也會針對全球（qiú）的網絡化分布（bù）的生產設（shè）施尋找最佳的生產製造策略。

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（bù）局等（děng）。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（shè）備等布（bù）局，跟（gēn）整個生產線的工藝路（lù）線有著密切（qiē）的關係。

同樣一台注塑機器，放在不同（tóng）的（de）廠房，甚至（zhì）進入不同的車間，它的布局方式（shì）會發生完全不同的（de）變化。更重要的是，規劃師需要對各（gè）種工藝、裝配規劃等進行模（mó）擬仿真驗證（zhèng），模擬（nǐ）整個生產製造（zào）過程，在投入生產前就得到驗證結果，並生成清單報（bào）表和指令等。

這種產線的工藝仿真，顯然需要對機器本身有著更好的認知和數據來源。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（gōng）司（sī）進入視野（yě）。而汽（qì）車行業（yè），則對此厚愛有加，紛紛采用，這大大（dà）促進了這類數字化產線工藝仿真軟件的發展。由於機器的數據，需要來自前麵的機器設計數據，這使（shǐ）得設計機械的CAD廠商很快（kuài）意識到這是要（yào）一塊不可丟失（shī）的陣地，於是傳統的機械設（shè）計CAD廠商紛紛進入。前麵（miàn）提到的兩（liǎng）個廠（chǎng）家也分別被收（shōu）購。CAD廠商，也借此離開了原先（xiān）的設計部門的邊（biān）界，開始在生產車間（jiān）和廠房之（zhī）間逡巡。

非常有意思的事情是人員流動的仿真，例如Anylogic仿真軟件。這家麵向行人仿真的公司值得留存，因為終於在工業領域可以看到一家來自俄（é）羅斯的（de）軟件。它可以（yǐ）實（shí）現係統動力學、離散（sàn）事件、智能體的建模（mó）仿真（zhēn）。它廣泛用於機場（chǎng）、博物館、地鐵等人流密集的地方，這些都需要（yào）深刻了解人的行（háng）為模型。人的行走會受到（dào）自激勵機製的影響，比如總想超越前麵的人等。這聽上去簡單（dān），而工（gōng）廠現場的事情，則要複雜得多。

複雜產品的訂單突然增（zēng）加，往往（wǎng）是苦惱人的蜜糖。例如飛機的增產，就是一個複雜的過程，因（yīn）為它需要重新評估產線的影響。由於產量低，許（xǔ）多工作單元一般都是定製化，部件生產又都在不同地域，抗幹擾的能力其實是很差的。這（zhè）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（jiā）。

為了應（yīng）對這種變化，歐盟發起了“自適應（yīng）生（shēng）產管理項目”，著重增（zēng）加飛機和（hé）造船行業的新產品持續增長的能力。空客也加入其中。A350在（zài）漢堡的裝配流水線（行業內俗稱脈動生（shēng）產線），會完成對機身兩個不（bú）同部位的裝配。它包含6個裝配站，每站（zhàn）包括30-35個員（yuán）工和約300條（tiáo）的工作指令。這個產線（xiàn）的生產力會隨時間（jiān）推移而增長，整個增產（chǎn）周期持續兩年。在這裏，每個工作站，都被（bèi）看成是（shì）一個智能體。那麽這個過程（chéng）如何進（jìn）行（háng）仿真，如何（hé）修正人員的操作和事件指令的下發，以適應增產帶來的變化。

圖1  空客的自適應管理

作為自適應生產管理的（de）一部分，必（bì）須有仿真軟件，使得參與者能夠再現真實的生產環（huán）境（jìng）。AnyLogic憑（píng）借它基於智能體及離散事件的混合建模優勢（shì）而成功入（rù）選。而實際上，它也有很多排（pái）產、在（zài）製品策略管（guǎn）理（lǐ）等軟件。現（xiàn）場會有很多古怪的場景，和工藝需求，於是就會有想不到的軟件來迎合（hé）需要。

除了Anylogic之（zhī）外，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，後者參與了北（běi）京大興機場的客流仿真，這個（gè）機場每（měi）年（nián）要為4500萬人次提供服務。人員流動與緊急疏散，是必須要考慮的問題。

與此同時，物料流動（dòng）也（yě）需要仿真。在精益體係中，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碼。可（kě）以說，物料（liào）是浪費程度最紮眼的刻度尺。一個（gè）工廠內的物流，往往會通過倉儲物流軟件WMS，跟立體庫、運貨小（xiǎo）車、叉車、托盤等物料設備，進行（háng）著交（jiāo）互（hù）吞吐。原材料、半成品、零部件、在製品等進行空間大挪移的時候，背後是一套嚴格的生產計劃信息（xī）流（liú）所主宰。

那（nà）麽，這套每天奔騰不息的物品洪流，最早（zǎo）是如何從設想變成事實？

一個企業的物流設計，往往可以通過業主邀請（qǐng）專業的物流（liú）谘詢公司，也可以由設計院負責。各種物料（liào）的設計核心，其（qí）實是對離散事件的仿真，最常用的Automod軟件（jiàn），也有美國Flexsim軟件和ProModel等。Flexsim在大型倉儲物流方麵（如京東的立體（tǐ）庫房）等得到廣泛使用，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（xiàn）了對軟件的偏愛。很難想象，Automod這個物流仿真（zhēn）軟件（jiàn），其實是美國（guó）最大的半導體設（shè）備製造商應材旗下的軟件（jiàn）。早在2006年應材就以1.25億美（měi）元的代價（jià），從一家自動化公司手中購買了此物流仿（fǎng）真公司，以便加速對半導體行業的柔性生產力的支撐，避免昂貴和高度定製化的產線方案。設備製造商旗下擁有商業軟件並不奇怪，三（sān）井造船廠也自己開發了一款類似的物流仿真軟（ruǎn）件。這也算是一個（gè）日本軟件發展特色（sè），在垂直（zhí）領域，總（zǒng）是會有意外的專業軟件。

圖2  部分物流仿（fǎng）真軟件

當然，專業的大型（xíng）工業（yè）軟件公司也會提（tí）供物流係統仿真（zhēn）分析工具，例如達索Delmia Quest和西門（mén）子的Plant Simulation、KUKA Visual Components。Quest作為一款物流仿真軟件是（shì）在2000年（nián）達索係統收購Deneb公司的（de）時候，順便獲得的嫁（jià）妝之一。西門子的（de）Plant Simulation也是同樣的故事。它旗下（xià）的UG在（zài）收購Technomatix的時候，帶來的eM-Plant經過進（jìn）化而形成 。

對自動化供應商（shāng）而言（yán），需要（yào）將自動化與（yǔ）機器更加緊（jǐn）密地結合在一起，因此會有更大的（de）積（jī）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（luó）克韋爾收購了以建（jiàn）模仿真（zhēn）為特長的Arena軟件，55名員（yuán）工並入到羅克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（yī）世紀（jì）剛剛開始的第一個年頭（tóu），發生了三（sān）起不太顯著的並購事件（應該還有更多），都跟工（gōng）廠產線仿真有（yǒu）關係（xì）。這表明，物流仿真係統在世紀之初，就堅（jiān）定地成為了數字化產線的一部分。從那個時（shí）候，自動化跟軟件的關係，開始變得緊密起來。這種萌芽發節的微弱之聲，在十五年之後借助於德國工業4.0的全球化普及（jí），而終於砰然作（zuò）響，每個工廠都（dōu）能聽到它的聲音。

如果有的規劃（huá）師是人因工程的愛好者，需要將工位設計得更複合人性，減少疲勞（láo）感。不妨還可以使用一家德國公司的小軟件，Ergonomic軟件進（jìn）行工位評測。

從實施角度而言，機器產線布局需要跟另外一門博大精深的廠房內管理學：工業（yè）工程相結合。多年來，作為自動化與工業工程相（xiàng）結合的一粒碩果，產線的優化布局，已經發育成熟，基本成為標配（pèi）。然而包括（kuò）物聯網在內的數字化技術的發展，這（zhè）種機器、工位、物料、人員（yuán）的（de）布局與仿真（zhēn），又有了更加（jiā）有力的工具。數字工廠的先行者，想做的事情（qíng）實在是（shì）太多了。

工業軟件就像是不慌不忙的光線，從廠房的天花板爬下來，淌過一條（tiáo）條產線，伴隨著立體庫中物料的流動，彌漫了整個工廠。而（ér）當廠房（fáng）與產線完成建模之後，就（jiù）可以進入到機器仿真調試的環（huán）節（jiē）。

機器被運進廠房的時候，就像是一曲在數字空間早已編排好的旋（xuán）律，每一台機器就像音（yīn）符一樣，隻需要安置在五線譜的對應位置就可以了。每個小段落（luò）之前，是弱音P還是強音F早已經被作曲家精心打磨過。落地生（shēng）根之後（hòu），演奏家們需要（yào）開始拿出（chū）自己的樂器進行（háng）合奏的（de）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（zhuāng）置需要開始磨（mó）合。各種組態，機器聯調，直到（dào）讓整個產線上的機器，聯動咆哮起來（lái）開始。然而，工廠的機器調試，遠（yuǎn）不（bú）是樂章演奏那麽令人愉快。恰好相反，這是一個耗費心力的苦（kǔ）差事（shì）。多少優秀的工程人員，在這裏留下成（chéng）噸的汗水。許多似乎打不開（kāi）的死結，成為現場工程師的夢魘（yǎn）之一。

如何讓現場（chǎng）的調試（shì）可以變得更短？最理想的方法（fǎ）是，一條產（chǎn）線、一台機器，就像是一個USB插盤一樣，下載即可使用。這種理（lǐ）想的插拔式工廠，成為產線模擬仿真的最高境（jìng）界。要（yào）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（de）具體（tǐ）參數，對實時場景進行仿真模擬。它將控製係統PLC，或者一個線纜的銘牌參數，都做成邊界條件，輸（shū）入到仿真係統。一（yī）言蔽之，產線，就像（xiàng）產品一樣，被精密地進行設（shè）計。這（zhè）是傳統自動化廠商，陌生的環境。而作為機器的控製係統與連接者，和物料的驅動者，自（zì）動化期望（wàng）更往前走一步。數字（zì）化（huà）時代，加劇了這種傾向。在數字化時代，如果沒有這（zhè）種產線仿真技術，那麽就會瘸（qué）一條腿（tuǐ）。

西門子在2006年收購了UG這樣的PLM廠商之後，就先天性地擁有了產線布局的仿（fǎng）真優勢，然而後進一步延伸到機器虛擬調式。這使得其它自動化廠商的壓力非常大，尤其是（shì）像羅克韋爾這樣體量相對（duì）小的自動（dòng）化（huà）公司。在最近3年，羅克韋（wéi）爾有兩步（bù）布局值得（dé）關注。第一步是投資10億美元入股PTC，幾乎相當於PTC的年產值，換取一個戰略綁定。加強對機器設備的物聯網連接能（néng）力，也是加強跟其它機器（qì）數據的連接；第（dì）二步，則在2019年初，收購一家從事數字模擬的工程軟件開發商Emulate3D。這種並（bìng）購的投入並不大，但對機器進入數字空間意味深長。該軟件（jiàn）可以建立簡單（dān）的工廠模型，但其重點是可以跟控製係統進行連接，實現虛擬控製。也就是說（shuō），它雖然不能做工藝仿真，但可以做基於控製的仿真（zhēn）。Emulate3D作為一種（zhǒng）PLC仿真程序，這正是羅克韋爾自（zì）動化需要補（bǔ）充的短板，可以為PLC和其它（tā）控製係統建立起虛擬調試的仿真空間，查看程序邏輯和結果。有意思（sī）的是，這家公司本來就是羅克韋爾的合作夥伴。張口吃掉小夥伴，在軟件生態領域太普遍了。這（zhè）種近親聯姻也（yě）是水到渠成的事情。

也有（yǒu）一些獨立廠商，如Industrial Physics。一方麵可以直接導入CAD模型，同（tóng）時也可以虛擬測試PLC，形成PLC的數字孿生。這樣的（de）公司能夠獨立多久也是打一個（gè）問號。很快也許就會被自（zì）動化公司一口吃掉。

而最後虛擬調試的結（jié）果將作為真實的代碼，直接下放到控製器。現場的調試時間，都會大幅度縮短。這（zhè）意味著，自動（dòng）化廠商，通過擴充控製器（qì）仿真軟件，進入到（dào）了數字化產線。這也是每一台機器數字孿生得以發展的重要基礎。缺乏有（yǒu）效的控製手段，數字孿生就是一個連吊線都沒（méi）有的木偶。

四川（chuān）一家焊接裝備工程公（gōng）司，為汽車車身（shēn）提供自動化（huà）焊裝線。它在歐洲（zhōu）汽車廠的一個產線項（xiàng）目，實現了全麵數字化產線（xiàn）虛擬調試。在中（zhōng）調試和遠程安裝指導，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。產線的數字孿生，有（yǒu）了越來越堅實的基礎。

而在流程行（háng）業，這種虛擬調試則是非常普遍。例如施耐德電氣AVEVA基於DYNSIM為內核的虛（xū）擬調試與操作員培（péi）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（hǎo）後的參數可以直接下發到DCS係統裏麵。實際上，這樣一個軟件，分演（yǎn）多種角色，它最重（chóng）要的工作就是（shì）動態工藝仿真，對溫度、流量變化等（děng）動態過程進行提（tí）前仿真。而在此技術則作為仿真培訓的計算（suàn）內核引擎，發展出（chū）來的操作（zuò）員培訓係統OTS也（yě）廣受歡迎。當年DCS出（chū）現之後，為了適應這種控製係統，就需要對人員提前進行培訓。因此OTS也是大行其道。而OTS的出現（xiàn），也推動了化工過（guò）程動態模（mó）擬軟件的發（fā）展。

在化工（gōng）的控製優化方麵，中國走了不少彎路。根據中（zhōng）國化工信息中心的（de）許（xǔ）老師的（de）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作優化的課題研究。南京（jīng）化工研究院、化工部（bù）計算中心都曾參加了這方麵軟件的開發。但由（yóu）於受限於計算機硬件的約束，數據采用離線（xiàn）分析（xī），最後發現這些軟件（jiàn）和算法，都沒有實際使用價值。這種數據即使算出了優化的工藝（yì）操作條件，而實際工廠的操作條件早已變化。單純靠數（shù）學模型無法推斷出實際操作。

這個教訓（xùn），到了今天仍然有著很深的意義。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、到生產線布（bù）局、到機器調試（shì），各種工業軟件就像是我（wǒ）們腦海中（zhōng）的智多星吳（wú）用，一個（gè）在數字空間裏麵將虛擬的人、機（jī）、料的事宜都（dōu）安排得妥妥（tuǒ）當當的神機妙算子。當虛擬的（de）驗證結束之後，一個企業的生產活動才正式開始，而此前的推（tuī）演並不為（wéi）人所（suǒ）知。就像電影《博物館（guǎn）奇妙夜》一樣，當太陽升（shēng）起人們走進現場的時候，他們不知道頭一天晚（wǎn）上，這裏曾經上演過驚心動魄的對抗和妥協。白天不懂夜的黑，物理（lǐ）難悟數字心。無法現身的工業軟件，是神跡與（yǔ）現實之間的一道障眼法。你不懂它，就無法參透（tòu）工業智能化。