导读：2023年10月28日，由中国自动化学会主办的2023国家工业软件大会在浙江湖州盛大开幕。大会以“工业软件·智造未来”为主题，汇聚了25位国内外院士，1500余位代表，共同探讨工业软件领域前沿理论和技术创新应用问题，共同谋划我国工业软件未来发展之道。

逯代兴教授受邀在2023国家工业软件大会中作题为“高效电驱仿真云平台工业软件”的专题报告。介绍了浙江清华长三角研究院智能制造工业软件研究中心经过多年的研究以及软件开发，成功推出了AFC Transmission以及AFC Motor两款工业软件。AFC Transmission用于减速器系统的设计仿真分析，可以进行减速器的结构设计，三维呈现，并能进行减速器效率、寿命等的仿真分析；AFC Motor可以进行电机二维有限元模型的建立和仿真，可以进行面向效率的电机气隙、冲片形状等设计参数优化。从而实现对电驱系统，或电机、减速器单一系统的仿真分析。仿真结果与国外同类软件基本一致，可以达到国产软件替代水平。

 

高效电驱仿真云平台工业软件

 

一、工业物联网平台

工业物联网平台是我们与德国合作的重要项目，尤其与德国的工业4.0平台密切相关。在推动智能制造和工业4.0的进程中，德国采取了一项重要的举措，即成立了由国家两个部委联合领导的国家级工业4.0平台，如图1所示。这一平台由政府主导，汇聚了左侧的科研机构形成专家委员会，右侧包括一些企业和协会来进行推广和实施。值得一提的是，我们的德国合作方Ander院士担任专家委员会的首席科学家。

 

图1 德国工业4.0

       在德国推动工业4.0的过程中，采用了国家创新中心的模式。这一模式首次由Anderl院士团队在德国的达姆施塔特工业大学得以实施， 2016年建立了第一个国家创新中心。这种成功的经验随后在德国全境范围内进行复制，目前已经建立了27个类似的创新中心。这一举措有助于推动工业4.0的发展，并为实施和展示相关技术提供了示范平台。

德国国家创新中心在达姆施塔特工业大学的组成形式非常丰富，包括研发中心、智能工厂作为示范中心、培训中心、以及为企业提供的示范平台，如图2所示。其中，达姆施塔特工业大学的智能制造工厂是一个典型的例子。这个工厂中的所有生产线和设备都是一比一复制德国博世公司的生产线，并在此基础上进行了智能化升级和改造，使其生产效率提高了约40%。

 

图2 德国国家创新中心

此外， Anderl院士团队受德国机械与制造商协会（VDMA）邀请，撰写并发布了《德国中小企业工业4.0实施指南》。这份指南实际上是德国国家授权的实施指南，旨在指导德国的中小企业实现智能化升级。目前，它已经协助了德国300多家中小企业成功实现智能化转型。该指南的核心是工业4.0工具箱，图3右侧是一个示例，其中列出了智能制造的各项指标。每个指标点都对应不同的级别，比如第一个指标是产品集成传感器和执行器的程度，我们可以通过红色部分评估企业现有产品的情况，并了解达到数字孪生所需的程度。这种工具箱使企业能够直观地了解其现状以及实现产线智能化升级所需达到的要求。

 

图3 工业4.0工具箱

Anderl院士团队在德国通过国家创新中心模式成功推广了工业4.0技术后，积极寻求与中国的合作，于2018年与中国工程院院长李晓红会晤，合作了首个中德智能制造示范典范工程项目。该项目的核心成果是基于云平台的全球数字孪生示范平台，如图4所示，其中一个显著的优点是，它是一个云平台，能够连接不同地区的合作伙伴，包括中国上海、嘉兴、中国台湾地区、韩国首尔理工大学以及巴西的圣保罗大学等，将它们的设备都连接到同一平台上，使得所有合作方在得到授权的情况下，能够互相控制不同地区的平台。该示范平台有望促进国际合作，推动智能制造的发展。

 

图4 云端共享全球数字孪生示范平台

通过与Anderl院士团队的合作，智能制造工业软件研究中心提供以下工程服务，如图5所示。首先，提供智能制造升级咨询服务，帮助企业实现智能化产线升级。其次，提供智能制造培训服务，以培养员工的智能制造技能。此外，依托云平台，帮助企业建立产线数字孪生示范平台，能够与企业的网站进行互联操作，或者帮助企业建立依托于公有云或私有云的平台。最后，中心还能帮助企业建立符合其现有生产线的微型示范模型。利用工业级的PLC和工业级物联网等技术，构建适用于企业现有产线的小型缩微示范模型，帮助企业快速、直观的看到智能制造升级带来的好处。

 

图5 中心智能制造领域主要服务

       在进行智能化升级咨询时，我们的目标是将传统的自动化工业3.0模式升级为现代化的智能化的工业4.0模式。自动化工业3.0通常采用自动化三角形的模式，用于管理固定订单，4.0模式的目标是实现一个满足个性化需求、灵活互联、能够相互通信的智能化模式。具体而言，我们希望将这种从3.0到4.0的变革可视化，将3.0自动化三角形的模式转化为4.0基于工业物联网平台的柔性化生产线。通过不同的智能平台，如手机和电脑，实现实时远程控制，以满足个性化需求并提升生产效率。

图6是微软在2021Ignite大会上发布的宣传片，场景中，有一位现场工作的员工，还有一位佩戴AR眼镜的同事和一位佩戴VR眼镜的同事。这两位同事的图像可以在现场工作的员工的AR眼镜中呈现出来，他们共同协作进行飞机轨迹规划等任务。该场景具有以下特点：既有线上成分，也有线下成分；既有虚拟元素，也有现实元素；并且是通过实时通信的合作方式来实现。值得注意的是，尽管这是一个创新性的应用，但实际上，微软等公司还没有将这种概念性宣传片转化为实际产品。

 

图6 数字孪生场景

       这种工业元宇宙平台的实现方式非常引人注目。首先，现场工作人员使用手控制实际的机器人或设备。在操作实体时，虚拟模型也会随之做出相应的反应。这意味着当实体进行动作时，所有的虚拟模型也会同步运动，实现了从“实”到“虚”的控制。该互动方式使操作员能够在现实和虚拟世界之间进行实时协作和控制，从而提高了效率和协同工作的能力。

       相反的，在“虚”控“实”的过程中，通过网络，实际实体会进行相应的运动。这是一个虚拟控制实际的过程，说明了数字孪生的双向性。图7是同事在家中使用AR眼镜，通过在空中点击这些面板来进行控制和合作。整个过程他们通过Zoom会议进行连接，这使得四位同事可以在不同地点，同时进行虚拟和现实的合作。这基本实现了微软所倡导的全球远程协作的过程，通过数字技术打破地理障碍，实现高效的协同工作。

 

图7 全球远程协作

图8底部的动画显示了一个实际的生产线。然而，在这个实际生产线内，仍然可以看到虚拟模型，这个虚拟模型可以在实际的生产线上移动，对实际零件进行操作，并进行虚拟装配。所有的操作步骤都通过云平台进行，因此可以在世界上任何位置，通过网络来实现。此外，当前的界面是云平台的网络界面。除了数字孪生的反馈和视频之外，还可以查看每个执行器的状态。例如，在这里，列出了分拣装置和其他所有执行器的开关情况，也可以视为一个简单的MES系统。这种整合数字孪生和实际生产的方式具有巨大的潜力，可以提高生产效率和质量，同时提供全球范围内的远程监控和协作。

 

图8 数字孪生技术—YWA云平台

同时，浙江清华长三角研究院智能制造工业软件研究中心还提供基于数字孪生技术的智能制造技术培训，可以颁发人事厅授权的数字孪生应用操作员证书。我们的培训以应用为导向，包括上百小时的课程，可在我们的平台上找到。此外，我们还提供在线课程，由AI教师进行讲解，以帮助学员更好地理解和应用知识。在培训过程中，学员有机会参与创建数字孪生的小型示范模型，从而将所学技能付诸实践。我们的培训注重理论与实际操作相结合，旨在提高学员的数字孪生技能水平，促进数字孪生技术在智能制造领域的广泛应用，为企业提供强有力的技术支持，并提供优秀的专业人才储备。

培训课程分为基础课程、高级课程和专家课程。基础课程针对20到40名学员，采用在线授课的方式，由资深培训师或使用AI教师进行讲授。基础课程内容包括工业4.0、数字化转型、生产效率提升、信息安全、新商业模式等多个领域，为学员提供坚实的知识基础。这些课程旨在帮助学员深入了解智能制造和数字孪生技术，为他们在实践中提供有力的支持。

高级课程以基础课程为基础，采用线上线下混合的教学形式。学员将参与共同完成工业案例，并邀请知名的讲师，包括德国工业4.0领域的专家和英文讲师。这些高级课程涵盖数字孪生、AR（增强现实）、VR（虚拟现实）以及工业元宇宙等领域的内容，进一步加深学员的专业知识和技能，使他们能够在智能制造领域取得更高的成就。通过线上线下混合的学习方式和实际案例的参与，学员将获得更丰富的教育体验。

专业课程专门针对企业高级管理人员，如企业CEO、CTO、CFO等管理人员，为他们提供可私人定制的模块化课程。这些课程由专家面对面授课，以满足不同企业的具体需求。此外，还提供前往德国大厂，如博世和奔驰等参观的机会。

该培训课程包括三维设计、3D打印制造技术以及工业级的PLC柔性化编程。智能制造工业软件中心联合德国合作团队在柏林、达姆施塔特、里德斯海姆和法兰克福等地建立了示范平台，以推动智能制造领域的发展。

二、电驱系统仿真软件

       浙江清华长三角研究院智能制造工业软件中心同时开发了一款高效的电驱系统仿真软件。该软件的初衷是对国外传动系统软件存在的问题的进行优化，包括传统软件复杂的模型数据输入、版本混乱以及用户工程经验要求较高等问题。在AI技术的背景下，我们致力于实现自动化的开发流程，以提高开发效率并更好地满足未来需求。

因此，我们决定开发一款自有的工业软件，专注于传动系统的高效开发。为了验证市场潜力，公司进行了市场分析，单以汽车仿真市场为例，图9显示了从2017年到2025年汽车仿真市场规模的预测，到2025年有望达到26.6亿元。

 

图9 机械传动系统仿真软件市场规模举例

经过多年的软件迭代和开发，中心推出了一款拥有自主知识产权的机械传动系统仿真软件，如图10所示。这款软件包括机械传动系统零件级别仿真模拟模块、系统仿真分析模块以及CAD/CAE协同模块，集成了智能数据管理、自动评价、仿真结果分析、AI学习和版本管理等多项功能。这一全面的功能组合使其成为一款较国外同类软件功能更强大的传动系统仿真分析工业软件。

 

图10 爱弗凯工业软件

该工业软件基于ISO国际标准，能够耦合有限元模型和多体动力学模型，以进行系统内机械零件的仿真分析。用户可以轻松进行传动系统的静力学分析、动力学分析，以及系统效率和寿命分析等。该软件提供在线和离线两个版本，图11展示的是在线版本，用户可以通过网址访问软件，自动生成三维模型，输入所需信息进行仿真分析，最终生成所需的报告。此外，用户还可以将在线仿真转移到离线版本，在离线版本中进行全面的动力学和静力学仿真。用户还可以将三维模型导入其他工程软件，进行修改后再将修改后的模型导回到AFC软件，根据新的模型进行仿真，并迅速生成报告，以供工程师使用。

 

图11 软件网页界面

       爱弗凯软件在算法上具有详细的齿轮参数计算的功能。齿轮的参数通常相对复杂和多样化，而在传统的机械CAD软件中，齿轮的模型通常不够精确。为了实现更准确的仿真，最终采用了齿轮加工理念，对齿轮模型进行了建模，以获取更精确的齿轮齿廓模型。

       此外，它还允许单个零件、单个轴系或整个系统的开发和验证。我们的软件是基于最新的HTML技术框架构建的，独立于操作系统，因此用户可以在macOS或Windows等不同操作系统上使用，只需具备网络连接和浏览器即可。并且我们还提供全面的SaaS支持，通过一些新的技术，可以对每个模块进行独立的快速升级，使用户能够无感地享受到软件的更新升级，这是基于SaaS和云平台的优势。

       此外，爱弗凯软件还提供公有云或私有服务器的服务选项，以确保用户的信息不会被泄露。我们的计算核心采用最新的国内外模型，仿真结果与实验结果以及行业领军厂商Romax公司的结果进行对比，表明其可以满足各种使用需求，实现国产替代。我们的仿真模块包括系统动力学分析、传动轴载荷分析、轴承寿命分析、齿轮TE分析、齿轮寿命和齿面分析、效率分析等，涵盖了传动系统仿真的各个方面。这些功能使用户能够进行全面的仿真分析，确保他们的机械传动系统能够正常运行并具有良好的性能。

  

 

*本文根据作者在2023国家工业软件大会上所作报告速记整理而成