標準化接口的重要性

盡管如此，把這兩條主線連接在一起的工作如今卻甚少開展。有可能當一份由系統(tǒng)工程師完成的分析報告擺在從事物理設計的工程師面前時，卻沒有真正的技術手段讓從事系統(tǒng)工程的團隊和從事電氣工程、機械工程、材料工程的團隊在產品設計上進行有效互動和并行設計。

我們稱這種必需的數據集成為“動態(tài)集成”，而不是靜態(tài)集成，靜態(tài)集成中我們關心數據和數據元素之間的聯系，而在這里我們所關心的是系統(tǒng)行為——系統(tǒng)的動態(tài)/時域特性。這其中主要的挑戰(zhàn)是讓不同的CAE工具協(xié)同工作。

我們需要了解這一點以填補工具鏈的斷層，確保系統(tǒng)工程和專業(yè)學科領域方面的工作內容可以共存，互動，交互信息并一起參與分析，例如聯合仿真。

不僅廠家和供應商能夠一起協(xié)同工作，公司內部不同部門也可以協(xié)同工作。為確保工作流程無縫銜接，工程師必須在充分了解系統(tǒng)的前提下，耦合不同工具并模擬復雜系統(tǒng)。

這正是FMI發(fā)揮作用的地方。

所謂FMI，即功能樣機接口，它定義了標準化的接口，用于復雜信息物理系統(tǒng)開發(fā)時的仿真分析。我們相信FMI標準具有整合設計階段及之后的各種流程的潛力，它通過模型將不同架構粘在一起，這些模型可在支持FMI標準的任意環(huán)境中運行。

FMI的愿景恰好支持的工業(yè)4.0的構想——如果產品是由零部件組裝而成，這些零部件以復雜方式相互作用，每個部件都遵循一組復雜的物理規(guī)律，那么就應該可以創(chuàng)建這樣一個虛擬產品，它由一系列模型以數字化的方式組裝而成，每個模型可以代表零部件的組合，可以代表物理定律，也可以代表控制系統(tǒng)(使用電子、液壓、數字軟件等等)。

如果采取這種方法并應用到需求管理中，那么仿真結果就可以直接反饋到初始階段，這是定義原始需求的最初階段，這反過來又有助于調整產品全生命周期管理以優(yōu)化工作流程，造出質量更好的產品。

在這個過程中，效率和靈活性是產品開發(fā)、生產的關鍵。在物聯網的推動下，工業(yè)4.0或許能在未來幾年，在生產制造和互聯網日益一體化的基礎上推動新技術的應用。

智能生產的驅動力

通常，產品開發(fā)是由工程師和計算機輔助設計(CAD)驅動的，而CAE仿真工具只用于驗證各種功能。當工程師在開發(fā)的后期發(fā)現某一部件沒有按照預期方式運行時，這種產品開發(fā)方式可能會變得相當昂貴。

在汽車或航空等領域，仿真或者至少是系統(tǒng)仿真，已經在整個開發(fā)過程中取得一席之地，并已成為一個決定性的因素，特別是在基本功能必須得到保證的開發(fā)過程的早期階段。制造商已經意識到，基于計算數據的早期決策可以走得更遠。

由這些行業(yè)推動，一個叫做“前端載入”(frontloading)的新趨勢已經出現。它提高了資源利用率，使開發(fā)人員盡可能早地認識到未來產品的更多細節(jié)，以較低的成本代價靈活改變產品的設計方案。

包括汽車公司在內的很多制造企業(yè)已經在產品開發(fā)的早期階段使用仿真數據以保證質量，并把資金投入到研發(fā)人員、工具、仿真軟件和測試上，這反過來帶來了回報：更短的產品上市周期，同時可以更好地避免錯誤，確保高質量和高可靠性，并最終降低成本。因此，基于仿真的虛擬產品開發(fā)是未來工業(yè)生產的驅動力。

在目前的產品開發(fā)過程中，各種方法和配套軟件都被用于系統(tǒng)級分析和多學科領域仿真分析。這是連續(xù)工程(Continues Engineering)方法論的兩個關鍵部分，這兩部分過去沒有交集，只是在有限的應用場合由各自團隊實施的時候有少量交集。

連續(xù)工程是一個企業(yè)用以加速交付日益復雜和互聯的產品的一種能力，這是工業(yè)4.0背景下的一個重要能力，主要通過幫助工程師加快學習了解整個生命周期，同時管控成本、質量和風險來實現。它反映了當今制造企業(yè)期待的理想狀態(tài)，即不間斷的工程實施，同時企業(yè)能夠應對和適應來自內部和外部的變化，從一而終的提供市場主導產品和系統(tǒng)。

過去幾年中，我們已經看到現代工業(yè)產品正朝著多領域、信息—物理交聯方向發(fā)生巨大轉變。這就是工業(yè)4.0的指向——以信息物理融合系統(tǒng)(CPS)為基礎，以生產高度數字化、網絡化、機器自組織為標志的第四次工業(yè)革命。

現代化系統(tǒng)不再僅僅由軟件、硬件或機械部件自身構成。這些融多學科于一身的操作單元以及軟件、固件、硬件和多物理系統(tǒng)之間的模糊區(qū)別正是使這些新系統(tǒng)更加智能，同時也更難以設計、分析、測試和驗證的原因。

機械、電子和軟件的協(xié)同性要求不僅使設計復雜化，如果跨學科的設計變更不能有效準確地協(xié)同起來，也可能導致項目延遲啟動并增加成本與風險。

這些異構的程序，以及典型的跨硬件和軟件學科的多級供應鏈甚至會對產品質量和發(fā)貨造成更大的挑戰(zhàn)。

為了應對這些新生信息—物理系統(tǒng)的挑戰(zhàn)，尤其是為了降低在開發(fā)后期才發(fā)現的子系統(tǒng)間相互干擾的風險，需要開發(fā)新的技術。

這些新的工程方法應該能夠對大型多領域復雜系統(tǒng)進行高效的建模、分析、優(yōu)化和驗證。這是系統(tǒng)級建模和物理仿真之間的關聯發(fā)揮關鍵作用的地方。

如今行業(yè)中有兩條飛快發(fā)展的主線：基于模型的系統(tǒng)工程(MBSE)和一維到三維的物理仿真(Physical 1D to 3D simulation)。

MBSE是一種采用模型化手段為系統(tǒng)需求論證、設計、分析、驗證和校核等環(huán)節(jié)提供支持的正規(guī)理念和方法，從概念設計階段開始一直貫穿整個產品開發(fā)周期。

這種方法使系統(tǒng)工程更好地把握、分析、改進系統(tǒng)的要求和功能，并與其他工程手段實現無縫對接。

今天，大多數航宇防務、汽車、工業(yè)產品、電子、能源、公共事業(yè)、醫(yī)療設備等行業(yè)的公司正朝著“系統(tǒng)方法”轉變，將系統(tǒng)作為一個整體進行分析，并揭示由多學科相互作用引起的突發(fā)行為。目前最普遍的MBSE建模語言是SysML。

考慮到高昂的測試成本，那些想在昂貴的物理樣機建立之前驗證其產品變型的公司越來越多地采用仿真手段來驗證他們的設計，這便有了一維到三維物理仿真(Physical 1D to 3D simulation)。

設計者通過物理仿真模擬包括機械、電氣、電子、液壓、熱、控制和電力元件在內的復雜物理系統(tǒng)，并基于仿真分析評估和優(yōu)化產品性能。

工業(yè)界一直對此抱有極大的興趣。不斷增長的仿真軟件用戶數和大量對建模標準如Modelica和FMI感興趣的工業(yè)企業(yè)，無不證明物理仿真正成為每個現代化產品設計過程的關鍵環(huán)節(jié)。

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