製造其實（shí）是一趟（tàng）漫長的旅程。它的起點和終點（diǎn），看上去一成不變，但其實也在不停的移動。而智能製造則將兩頭的邊界拓展得更遠。並非是從車間，也不是從研發部門，智能製造（zào）的起點可以從更遠端開始。智能製造本身，其實也包含了生產支持係統（tǒng）的智能建造等含義，從（cóng）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旅途（tú）。正（zhèng）是無處（chù）不在的工（gōng）業軟（ruǎn）件，讓百米賽跑還沒有開始，製造就已經邁出了五十步。

一個工廠的機器（qì）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（jí）生產工藝。用戶借助廠房布局或（huò）者生產規劃軟件，可（kě）以對各級工序的材料流進（jìn）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（huà）分布的生產設施尋找最佳的生產製（zhì）造策略。

這裏需要對工廠進行大工藝的設計，包括（kuò）機器產線的布置、大門的設置、物流的進出通（tōng）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（jī）器、穿（chuān）梭補料的運輸設備等布局，跟整（zhěng）個生產線的工（gōng）藝路線有著密切的關係。

同樣（yàng）一台（tái）注塑機器，放在不同的廠房，甚至進入不同的車間，它的布局方式會發生完全不（bú）同的變化。更重要（yào）的是（shì），規劃師需要對各種工藝、裝配規劃等進行模擬仿真（zhēn）驗證，模擬整個生產製造過程，在投入生產前就得到驗證（zhèng）結果，並生成清單報表和指令等。

這種產線的工藝仿真，顯然需要對機器本（běn）身有著更好的認知和數據來源。在上個世紀末，如以色（sè）列的Technomatix、美（měi）國Deneb Robotics等許多專業的（de）仿（fǎng）真公司進入視野。而汽車行業，則對此厚愛有加，紛紛采用，這大大促進了（le）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，這使得設計機械的CAD廠商很快意識（shí）到這是要一塊（kuài）不可丟失的陣地，於是傳統的機械設計CAD廠商紛紛進入。前麵提到的兩個廠家也分（fèn）別被收購。CAD廠商，也借此離開了原先的設計部門的邊界，開始（shǐ）在生產車間和廠房之間逡巡。

非常有意思的事情是人員流動的仿真，例如Anylogic仿真軟件（jiàn）。這（zhè）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羅斯的軟件（jiàn）。它可以實現係統（tǒng）動力學、離（lí）散事件、智能體的建模仿真。它（tā）廣泛用於機場、博物館（guǎn）、地鐵等人流密集的地方，這些都需要（yào）深刻了解人的行為（wéi）模型。人的行走會受（shòu）到自激勵機製的影（yǐng）響，比如總想超越前麵的人等。這聽上去簡單，而工廠（chǎng）現場的（de）事情（qíng），則要複雜得多。

複雜產品（pǐn）的訂單突然增加，往往是苦惱人的蜜糖。例如飛機的增產，就是一個複雜的過程，因為（wéi）它需要（yào）重（chóng）新評（píng）估產線的（de）影響。由於產量（liàng）低，許多工作單元一般（bān）都是定製化，部件生產又都在不同（tóng）地域，抗幹擾的能力其實是很差的。這些因素，會導（dǎo）致擴（kuò）產的時候，往往反（fǎn）而使得飛機生產（chǎn）周期的（de）增加。

為了應對這種變化，歐盟發起了“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（pǐn）持續增長的能力。空客也加入其中。A350在漢堡的裝配流水線（行業內俗（sú）稱脈動生產線（xiàn）），會完成（chéng）對機身兩個不同部（bù）位的裝配。它包含（hán）6個（gè）裝配站，每站包括30-35個（gè）員工和約300條的工作指令。這個產線的生產力會隨時（shí）間推移而增長，整個增產周期持（chí）續兩年。在這裏，每個工作站，都被（bèi）看成是一個智能體。那麽這個過程如何進行仿真，如何修正人員的操作和事件（jiàn）指令的下發，以適應增產帶來的變化。

圖1  空客的自適應管（guǎn）理（lǐ）

作為自適應生產管理（lǐ）的（de）一部分，必須有仿真軟件，使得參（cān）與者能（néng）夠再現真實（shí）的生產環境。AnyLogic憑借它基於智能體及離（lí）散事件的混合建模（mó）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（jiàn）。現場會有（yǒu）很多古（gǔ）怪的場景，和工藝（yì）需求，於是就會有想不到的軟件來迎合需（xū）要。

除了Anylogic之外，其它（tā）人員仿真軟件（jiàn）包括STEP，也有（yǒu）來自英（yīng）國的MassMotion。值得一提的是（shì），後者參與了北京大興機場的客流仿真（zhēn），這個機場每年要為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）也需要仿真。在（zài）精益體係中，物料是最有講究的一（yī）個環節。物（wù）料的位置（zhì）、存量，背後都（dōu）有著深刻的效率密碼。可以（yǐ）說，物料是浪費程度最紮眼的刻度尺。一個工廠內的物流（liú），往往會通過（guò）倉儲物流軟件WMS，跟立（lì）體庫、運貨小車、叉車、托盤等物料設備，進行著交互吞吐。原材料、半成品（pǐn）、零部件（jiàn）、在製品等進（jìn）行空間大挪移的時候，背後是一套嚴格（gé）的生產計（jì）劃信息流所主宰。

那麽，這套每天（tiān）奔騰不息的物品洪流，最（zuì）早是如何從設想變成事實？

一個企業（yè）的物流設計（jì），往往可以通過業主邀請專業的物流谘詢（xún）公司，也可以由設計院負責。各種物料的（de）設計（jì）核心，其實是對離（lí）散事件的仿（fǎng）真，最常用的Automod軟件，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（lì）體（tǐ）庫（kù）房）等（děng）得到廣泛（fàn）使用，在一些相對簡單的工廠，有不少應用，使用方便。而大的（de）裝備製造業，也表現了對軟件的偏愛。很難想象，Automod這個物（wù）流仿真軟（ruǎn）件（jiàn），其實是美國最大的半導體設備製造商應材旗下（xià）的（de）軟件。早在2006年應材就以1.25億美元的代價（jià），從一家自（zì）動化（huà）公司手中購買（mǎi）了此物流仿真（zhēn）公司，以便加（jiā）速對半導體行業的柔性生產力的支撐，避（bì）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，三井造船廠也自己開發了一款類似的物流仿真軟件。這也算是一個日本軟件發展特色，在垂直領（lǐng）域，總是會有（yǒu）意外的專業軟件。

圖（tú）2  部（bù）分物流（liú）仿真軟（ruǎn）件（jiàn）

當然，專業的大型工業軟件公司也會提供（gòng）物流係（xì）統仿真分析工具（jù），例如達索Delmia Quest和西門子的Plant Simulation、KUKA Visual Components。Quest作為一款物流仿（fǎng）真軟件（jiàn）是在2000年達索係統收（shōu）購Deneb公司的時候，順便獲得的嫁妝之一。西門子的Plant Simulation也是同樣的故事。它（tā）旗（qí）下的UG在收購（gòu）Technomatix的時（shí）候，帶來（lái）的eM-Plant經過進化而形成 。

對自動化供應商而言，需要將自動化與機器更加緊密地結（jié）合在一起，因此會有更大的積極性推動這種軟件與自動化（huà）係統的融（róng）合。這就是為什麽早在2000年，羅克韋爾收購了（le）以（yǐ）建模仿真為特長的Arena軟件（jiàn），55名員工並入到羅克韋爾自動化公司軟件部（bù）門，並一直保留至今。現在想起（qǐ）來，二十（shí）一世（shì）紀（jì）剛剛開始的第一個年頭，發生了三起不太顯著的並購事件（應該還有更多），都跟工廠產線仿真有關係。這表（biǎo）明（míng），物流仿真係統在世（shì）紀之初，就堅定（dìng）地成為了數字（zì）化（huà）產線的一（yī）部分。從那個時候，自動化跟軟（ruǎn）件的（de）關（guān）係，開始變得緊密起來。這種萌芽發（fā）節的微（wēi）弱之聲，在十五（wǔ）年之後（hòu）借助於德國工業4.0的全球化普及，而終於砰然作響（xiǎng），每（měi）個工廠都能聽到它的聲（shēng）音。

如果有的規劃師（shī）是人因工程的愛好者，需要將工位設計得更複合人性，減少（shǎo）疲勞感。不妨還可以使用一家德國公司（sī）的（de）小軟件，Ergonomic軟件進行工位評測。

從實（shí）施（shī）角度而言，機器產（chǎn）線布局需要跟另外一門博大精深的廠房內管理學（xué）：工業工程（chéng）相結（jié）合。多年來，作為（wéi）自動化與工業工程相結合的一粒碩果（guǒ），產線的優化布局，已（yǐ）經發育成（chéng）熟，基本成為標配。然而包括物聯網在內的數字化技術的發展，這種機器、工位、物料、人員的布局與仿真，又有（yǒu）了更加有力的工（gōng）具。數字工廠的（de）先行者，想（xiǎng）做的事情實在是太多了。

工業軟件就（jiù）像是不慌不忙的光線，從廠房的天花板爬下來，淌過（guò）一條條產線，伴（bàn）隨著立體庫中物料的流（liú）動（dòng），彌漫了整個工廠。而當廠房與產線完成建模之（zhī）後，就可以（yǐ）進入到機（jī）器仿（fǎng）真調試的環節。

機器被運進廠房的時候，就像（xiàng）是一曲在數（shù）字空間早已編排好的旋律，每一台機器就像音符一樣（yàng），隻需要安置在五線譜的對應位（wèi）置就可以了。每（měi）個小段落之前，是弱（ruò）音P還是強音F早已經被作曲家精（jīng）心打磨（mó）過。落地（dì）生根之後，演奏家們需要開始拿（ná）出自己的樂器進行合奏的嚐試。這是（shì）一個現（xiàn）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（chǎng）的機器調試，遠不是樂章演奏那（nà）麽令人愉快。恰好相反，這是一個耗費心力的苦差事。多少優秀的工程人員，在這裏留下成噸的汗水。許多似乎打不開的死結，成為現場工程師的夢魘之（zhī）一。

如何讓現場的調（diào）試可以變得（dé）更短？最理想的方法是，一（yī）條（tiáo）產線、一台機器，就像是一個USB插盤一樣，下載即可使用。這種理想的插拔式工廠，成為產線模擬仿真的（de）最高（gāo）境界。要做到這一點，就（jiù）要在前麵（miàn）的產線布局的時候，同時加入各（gè）種設備的具（jù）體參（cān）數，對實時場景進行（háng）仿真模擬。它將控（kòng）製係統PLC，或者一個線纜的銘（míng）牌（pái）參（cān）數，都做（zuò）成邊界條件，輸入到仿真係統（tǒng）。一言蔽之，產線，就像產品一樣，被精密地進行設計。這是傳統（tǒng）自動化廠商，陌生的環境。而作為機（jī）器的控製係統與連接者，和物料的驅動者，自動化期望更往前走一步。數字化時代，加劇了這（zhè）種傾向。在數字（zì）化（huà）時（shí）代，如果沒有這種產線仿真技術，那麽就（jiù）會瘸一條腿。

西門子（zǐ）在2006年收購了UG這樣的PLM廠商之後，就先（xiān）天性地擁有了產線（xiàn）布局的仿真優勢，然而後進一步延伸到機器虛擬調式（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（xiàng）對小的自動化公司。在（zài）最近3年，羅克韋爾有兩步布局值得關注。第一步是投（tóu）資10億美（měi）元入股PTC，幾乎相當於PTC的年產值，換取（qǔ）一（yī）個戰略綁定。加強對機器設備的物聯網連接能力，也是加強跟其它（tā）機器數據的連接；第二步，則在（zài）2019年初，收購一家從事數（shù）字模擬的工（gōng）程軟件開發商Emulate3D。這種並購（gòu）的投入並不大，但對機器進入數字空間意味深（shēn）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，實現虛擬控（kòng）製。也就是說，它雖然不能做工藝仿真（zhēn），但可以做基於控（kòng）製的仿真。Emulate3D作為一種PLC仿真（zhēn）程序，這正是羅克韋爾自動化需要補充的短板，可以為PLC和（hé）其它控製（zhì）係統建（jiàn）立起虛擬調試的仿真（zhēn）空間，查看程序邏輯和結（jié）果。有意思的是，這家公司本來就是羅克韋爾的合作夥伴（bàn）。張（zhāng）口吃掉小夥（huǒ）伴，在軟件生態領域（yù）太普遍了。這種近親（qīn）聯姻也是水到渠成的事情（qíng）。

也有一些獨立廠商，如Industrial Physics。一方麵（miàn）可以直接導入CAD模型（xíng），同時也可以（yǐ）虛擬測（cè）試PLC，形成PLC的數字孿生。這樣的公司（sī）能夠獨立多（duō）久也是打一個問號（hào）。很快也許就會被自動化公司一口吃掉。

而（ér）最後虛擬調試的結果將作為真實的代碼，直接下放到控製器。現場的調試時間，都會大幅度縮短。這意味著，自動化廠商，通過擴充控製器（qì）仿真軟件，進入到了（le）數字化產線。這也是每一台機器數（shù）字孿生得以發展的重要基（jī）礎。缺乏有效的控製手段，數字孿生就是（shì）一個連吊線都沒有的木偶（ǒu）。

四川一（yī）家（jiā）焊接（jiē）裝備工程（chéng）公司（sī），為汽車車身提供自動化焊裝（zhuāng）線。它在歐洲汽車（chē）廠的一個（gè）產線項目，實現了全麵數字化產線虛擬調試。在中調試和遠程（chéng）安裝指導，設備（bèi）直接運輸到廠區並實現一次調試成功，大大縮短了（le）調試時間。產線的數字孿生，有（yǒu）了越來越堅實的基礎。

而在流程行業，這種虛擬調試則是非常普遍。例如施耐德（dé）電氣AVEVA基（jī）於DYNSIM為內核的虛擬調（diào）試與操作員培訓係統(OTS)，就是在設計階（jiē）段，對（duì）分布式控製係統DCS進行參數（shù）調校。調好後（hòu）的參數可以（yǐ）直接下發到DCS係統裏麵。實際上，這樣一個軟件，分演多（duō）種角色，它最重要的工作就（jiù）是動態工藝仿真，對溫度、流量變化等動態過程進行提前仿真。而（ér）在此技術則作為仿真培訓的計算內核引擎，發展出（chū）來的操作員（yuán）培訓係統OTS也廣受歡迎。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（qián）進行（háng）培訓。因（yīn）此OTS也是（shì）大行其道。而OTS的出現，也推動了化工過（guò）程動態模擬軟件的發（fā）展。

在化工的控製（zhì）優化方麵，中國走（zǒu）了（le）不少彎路。根據中國（guó）化工（gōng）信息中心（xīn）的許（xǔ）老師的回顧，80年（nián）代末期，當時的化工部已經開始著手進行工廠控製操作優（yōu）化的課題（tí）研（yán）究。南京化工研（yán）究院、化工部計算中心都曾參加了這方麵軟件（jiàn）的開發。但由於受（shòu）限於計算機硬件的約束，數據采用離線分析，最後發現這些軟件（jiàn）和算法，都沒（méi）有實際使用價值（zhí）。這種數據即（jí）使（shǐ）算出了優化的（de）工藝操作條件，而實際工廠的操作條件早（zǎo）已變（biàn）化。單純靠數學模型無法推（tuī）斷出實（shí）際（jì）操作。

這個教訓，到了今天仍然有著（zhe）很（hěn）深（shēn）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（chà）會很大。攻堅的重點，不在於大數據的數學模型（xíng），而在於工業機理的本身。

從工廠建築（zhù）、到生（shēng）產（chǎn）線布局、到機器調試，各（gè）種工業軟件就像是我們腦海中的智多（duō）星吳用，一個在數字空間裏麵將虛擬的人、機、料的事宜都安排得妥妥（tuǒ）當當的神機妙算子。當（dāng）虛擬（nǐ）的驗（yàn）證結束（shù）之（zhī）後，一個企業的生（shēng）產活動才正式開始，而此前的（de）推演並不為人所知。就像電（diàn）影《博物館奇妙夜》一（yī）樣（yàng），當太陽升起人們走進現場的（de）時候，他們不（bú）知（zhī）道（dào）頭（tóu）一天晚上，這裏曾經上演（yǎn）過驚心動魄的對抗和妥協。白天（tiān）不懂夜的黑，物（wù）理難悟數字心。無（wú）法現身的工業軟件，是神跡與現實之間的一道障眼法。你不懂它，就無法參透工業智能化。