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美國(guó)航空航天局在火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室航天任務(wù)中打造了一輛配備*技術(shù)的探測(cè)車，它就是家喻戶曉的“好奇號(hào)”。這項(xiàng)航天任務(wù)是航天機(jī)構(gòu)有史以來技術(shù)較為復(fù)雜的項(xiàng)目。項(xiàng)目的研發(fā)和測(cè)試工作是使用西門子的設(shè)計(jì)和模擬軟件完成的，它為正在機(jī)器領(lǐng)域嶄露頭角的無縫通信——真實(shí)世界與虛擬世界的融合——提供了寫照。

在極寒的外太空運(yùn)行36周，行程長(zhǎng)達(dá)5.67億公里，飛行速度超過7.6萬公里/小時(shí)，而這些都只是長(zhǎng)征的*步。2012年8月5日，當(dāng)造價(jià)25億美元、重900公斤、一輛小型轎車大小的火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室（MSL）探測(cè)車穿梭到火星大氣中時(shí)，它還在以2.1萬公里/小時(shí)的高速向前飛行。那時(shí)它必須在七分鐘內(nèi)減速到2公里/小時(shí)以下的著陸速度，如若不然，探測(cè)車將與火星相撞，毀于一旦。

為使探測(cè)車能平穩(wěn)著陸，防止為尋找生命化學(xué)成分而設(shè)計(jì)的裝備受損，探測(cè)車必須分毫不差地執(zhí)行數(shù)百個(gè)步驟的復(fù)雜操作，并且整個(gè)過程沒有人工干預(yù)。面對(duì)這樣一個(gè)難題，工程師是如何解決的？要知道，地球大氣的密度比火星高出100倍，所以不可能在地球上測(cè)試這個(gè)過程。西門子工業(yè)自動(dòng)化集團(tuán)PLM（產(chǎn)品生命周期管理）業(yè)務(wù)部總裁兼*執(zhí)行官Chuck Grindstaff指出：“美國(guó)航空航天局的噴射推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室利用我們的模擬軟件完成了系統(tǒng)各個(gè)方面的設(shè)計(jì)。從熱分析到探測(cè)車進(jìn)入火星大氣時(shí)可能會(huì)遇到的多種物理影響，我們的軟件在攻克這一切問題的過程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。”

2012年8月，“好奇號(hào)”登陸火星，開始執(zhí)行火星表面探測(cè)任務(wù)。整個(gè)系統(tǒng)用西門子模擬軟件完成開發(fā)和測(cè)試。

Daren Rhoades是西門子PLM軟件加利福尼亞州Cypress研發(fā)中心的一名產(chǎn)品開發(fā)高級(jí)經(jīng)理，不久前剛剛結(jié)束在美國(guó)國(guó)家航空航天局的MSL（“好奇號(hào)”）航天任務(wù)研發(fā)小組的任務(wù)。他介紹說：“在我參與的一些子系統(tǒng)的研發(fā)過程中，通過利用模擬技術(shù)，一切都可以在虛擬世界中完成，從概念設(shè)計(jì)到詳細(xì)的部件設(shè)計(jì)，從組裝到測(cè)試，全都可以模擬。”比如美國(guó)航空航天局稱之為“驚險(xiǎn)7分鐘”的MSL著陸順序，這個(gè)性命攸關(guān)的安排就是經(jīng)過8000次模擬之后得出的方案。“從模擬走向?qū)嶋H部署，這種能力具有相當(dāng)重要的意義。” Rhoades如是道。

確實(shí)如此。比如為“好奇號(hào)”專門設(shè)計(jì)的“空中吊車”，這個(gè)全新研發(fā)的系統(tǒng)可以在探測(cè)車降落的最后階段減慢探測(cè)車的速度，使其緩緩地降落到火星表面。研究人員利用PLM軟件對(duì)“空中吊車”火箭引擎的火苗擴(kuò)散情況進(jìn)行了模擬，以確?；鹈绮粫?huì)燙壞探測(cè)車或用于固定探測(cè)車的套具。“不僅吊索要能分毫不差地降下探測(cè)車，確保探測(cè)車不會(huì)受到火苗干擾，同時(shí)還有一條類似于臍帶的線纜連接著探測(cè)器和吊車，在分離時(shí)間點(diǎn)上吊車升起的時(shí)候才會(huì)斷開。所有這些線纜都必須同時(shí)斷開。為實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，我們布置了很多小型切割器，它們必須同時(shí)切斷所有線纜。上述這些過程都是通過我們的軟件來模擬的。”負(fù)責(zé)美國(guó)航空航天局項(xiàng)目的PLM客戶主管Joel Rooks介紹道。

復(fù)雜性也是一個(gè)主要問題。整個(gè)裝配組合包含約9萬個(gè)專門制造的部件，其中很多部件與設(shè)計(jì)規(guī)格的容差只有100微米——大約相當(dāng)于一根頭發(fā)絲的直徑。更苛刻的是，為盡量避免浪費(fèi)空間，這些部件必須合攏到一個(gè)極其擁擠的包中，但是同時(shí)又要留出發(fā)射和返回時(shí)劇烈晃動(dòng)的擺動(dòng)空間，以及在高達(dá)1648℃的溫差下不同材料的熱脹冷縮空間。“要設(shè)計(jì)可以如此緊湊布置的部件，需要新的功能和技術(shù)。”美國(guó)航空航天局火星探測(cè)計(jì)劃負(fù)責(zé)人Doug McCuistion表示，“我們采用了西門子的很多系統(tǒng)，來幫助我們完成這些工作。”

“驚險(xiǎn)七分鐘”。用吊索將探測(cè)車降落到火星表面是特別精細(xì)的任務(wù)。研究人員對(duì)著陸階段進(jìn)行了8000次模擬。

“在系統(tǒng)所有部件的設(shè)計(jì)中，非常重要的是確保不同部件不會(huì)接觸到其他部件，因?yàn)檫@種接觸可能會(huì)導(dǎo)致部件受損。”PLM解決方案部的顧問Kent Rash介紹道，“鑒于每個(gè)部件涉及不同的材料，確保做到這一點(diǎn)的 方法，就是針對(duì)每個(gè)部件構(gòu)建一個(gè)有限元素模型。利用這種方法，我們將復(fù)雜的表面劃分成很小的元素，然后根據(jù)元素之間的關(guān)系來計(jì)算元素。”

從模型到生產(chǎn)——這正是西門子PLM主要軟件工具NX的用武之處。NX可以讓用戶將模型變?yōu)閷?shí)際的產(chǎn)品——它不僅可以生成CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）模型，而且還利用計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）軟件，在設(shè)計(jì)中套入相關(guān)功能和物理數(shù)據(jù)，比如根據(jù)部件的原材料，它可以耐受多大的應(yīng)力或熱度?？紤]到機(jī)器中的很多部件根據(jù)設(shè)計(jì)原理都會(huì)運(yùn)動(dòng)并相互作用，NX還可以執(zhí)行人們所說的“動(dòng)態(tài)模擬”。通過這種模擬，工程師可以“在仿真環(huán)境下對(duì)各種規(guī)模的裝配組合進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試，比如模擬測(cè)試探測(cè)器著陸，然后計(jì)算出著陸時(shí)對(duì)整個(gè)探測(cè)器結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力。” Rhoades介紹道，“首先要為部件構(gòu)建一個(gè)虛擬的原始NX CAD模型，定義用于生產(chǎn)這個(gè)部件的工具，然后以在有限元分析中使用的原始CAD模型為基礎(chǔ)，用NX CAM軟件運(yùn)行機(jī)器。”上述方法具有諸多優(yōu)勢(shì)，而對(duì)于造價(jià)數(shù)十億美元的航天器而言，其中較有意義的優(yōu)勢(shì)莫過于精確性。“采用數(shù)字模型，并配合計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC），可以使部件生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)超高精度。” Rhoades補(bǔ)充道，“MSL制造出來以后，很多部件的誤差都沒超過頭發(fā)絲的直徑。”

連通人員……及企業(yè)。復(fù)雜的項(xiàng)目不僅要求使用出色的模擬軟件，而且需要一個(gè)有利于大規(guī)模工程師團(tuán)隊(duì)中的成員在同一項(xiàng)目上無障礙合作的系統(tǒng)。若談到“連通人員”，西門子PLM的Teamcenter軟件可謂首屈一指的解決方案。“Teamcenter是貫穿整個(gè)工程設(shè)計(jì)流程的關(guān)鍵支持系統(tǒng)。” 西門子PLM*執(zhí)行官Grindstaff透露，“這個(gè)軟件提供了需求管理、項(xiàng)目管理和合規(guī)等方面的一系列應(yīng)用，它是整個(gè)設(shè)計(jì)流程的支柱。”正如NX一樣，Teamcenter不僅在美國(guó)航空航天局的噴射推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室航天任務(wù)中發(fā)光發(fā)熱，它還被SpaceX所采用，2012年5月SpaceX創(chuàng)造了航天史上的奇跡，其“神龍?zhí)?rdquo;（Dragon）航天飛船成為與國(guó)際空間站成功對(duì)接的私人商業(yè)飛船。

美國(guó)航空航天局和SpaceX等機(jī)構(gòu)為何會(huì)看中Teamcenter？“原因很簡(jiǎn)單。” Rhoades說道，“因?yàn)楹教祜w船的每個(gè)部件都十分重要。Teamcenter不僅確保所有授權(quán)工作人員只能看到其當(dāng)前用到的項(xiàng)目數(shù)據(jù)，從而最大限度減少人為錯(cuò)誤，同時(shí)還可以追蹤每個(gè)部件的原始設(shè)計(jì)、分析數(shù)據(jù)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)。當(dāng)一份設(shè)計(jì)通過審批后可以投產(chǎn)時(shí)，Teamcenter會(huì)將其予以記錄。所有這些將帶來非?？捎^的潛在節(jié)支效果。”

不足為奇的是，航天機(jī)構(gòu)并不是看重虛擬化模型設(shè)計(jì)和協(xié)作開發(fā)所帶來的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的用戶。“我們有7萬家客戶。”Grindstaff透露，他還指出西門子PLM軟件在全球市場(chǎng)的年?duì)I業(yè)額達(dá)200億美元，并且這個(gè)數(shù)字每年還在以5%到7%的速度增長(zhǎng)。“在協(xié)作技術(shù)和數(shù)據(jù)管理領(lǐng)域，我們擁有*優(yōu)勢(shì)。在數(shù)字化生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域，我們擁有*優(yōu)勢(shì)，在機(jī)械CAD/CAM領(lǐng)域，我們同樣是排名第二的強(qiáng)勁競(jìng)爭(zhēng)者。”

整套設(shè)備包含約9萬個(gè)部件，其中很多與設(shè)計(jì)規(guī)格的容差只有100微米，大約相當(dāng)于一根頭發(fā)絲的直徑。

與此同時(shí)，西門子也在乘勝追擊，爭(zhēng)取獲得更大大額合同。西門子近期與波音公司簽署了為期十年的協(xié)議，擴(kuò)展PLM技術(shù)的應(yīng)用范圍。此外，西門子還與戴姆勒公司簽署了一份全球性協(xié)議，后者將在其所有產(chǎn)品開發(fā)及生產(chǎn)部門引進(jìn)Teamcenter和NX平臺(tái)。“引進(jìn)研發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)計(jì)劃和生產(chǎn)協(xié)作軟件，將進(jìn)一步優(yōu)化戴姆勒的整個(gè)價(jià)值鏈，讓它更快地生產(chǎn)更好的產(chǎn)品。” Grindstaff介紹道。此外，西門子近期還與克萊斯勒和江森自控簽署了大額合同。前者是全球十大一級(jí)汽車供應(yīng)商之一，后者是汽車行業(yè)中最大的座椅供應(yīng)商。

令人嘆為觀止的優(yōu)勢(shì)。西門子之所以能取得如此驕人的成績(jī)，是因?yàn)槲鏖T子PLM軟件可以幫助客戶削減成本，提升效率。舉例而言，據(jù)Grindstaff透露，三星電子公司在工廠中引進(jìn)PLM技術(shù)后，其實(shí)物模型的數(shù)量減少了30%，從而使*試產(chǎn)的錯(cuò)誤率降低50%，研發(fā)速度提高30%。

那么美國(guó)航空航天局在其的火星探測(cè)器項(xiàng)目上究竟提高了多少效率？Rhoades表示由于MSL不同于在地球上使用的產(chǎn)品 ，因此無法去量化這個(gè)幅度。“這并不是說它原來有兩噸重，然后把它減到一噸，不能這樣衡量。”他說。不過可以確定的是，“好奇號(hào)”/MSL航天任務(wù)為從概念設(shè)計(jì)到生產(chǎn)和測(cè)試的*集成樹立了新標(biāo)準(zhǔn)。西門子工業(yè)業(yè)務(wù)領(lǐng)域*執(zhí)行官兼西門子管理委員會(huì)成員Siegfried Russwurm表示：“過去各種過程是按順序執(zhí)行的。美國(guó)航空航天局在火星探測(cè)車的研發(fā)過程中實(shí)現(xiàn)了模式轉(zhuǎn)變，建立了集成化數(shù)據(jù)庫(kù)，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到生產(chǎn)設(shè)計(jì)，均采用一種整合的方式。數(shù)百名工程師使用統(tǒng)一的模型，共享統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)，通過這個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)，真正實(shí)現(xiàn)了從仿真到實(shí)際生產(chǎn)的無縫對(duì)接。”

PLM主管Rooks補(bǔ)充說：“MSL是美國(guó)航空航天局有史以來技術(shù)較為復(fù)雜的項(xiàng)目。重要的是，我們的工具幫助他們完成了所有模擬和優(yōu)化。當(dāng)他們對(duì)探測(cè)車進(jìn)行測(cè)試并把它發(fā)射到火星的時(shí)候，一切順利。”

Arthur F. Pease

不確定性量化：模擬科學(xué)的下一步發(fā)展

無論是向火星發(fā)射飛船，還是乘坐高鐵穿越歐洲，總會(huì)有無數(shù)的事情基本上是無從預(yù)測(cè)的。這些都可以歸結(jié)為一個(gè)不可辯駁的因素：不確定性。那么何不嘗試對(duì)不確定性本身進(jìn)行量化？西門子中央研究院的兩位模擬技術(shù)和數(shù)學(xué)專家Utz Wever博士和Meinhard Paffrath博士，目前就在開展相關(guān)研究。他們的研究重點(diǎn)是列車輪組。“輪組，包括輪軸，是決定列車安全與否的首要因素。”Wever說道，“同時(shí)鐵路公司的維修成本有很大一部分也是花在輪組上。”有鑒于此，研究人員在研發(fā)一種排查這些重要部件的新方法，即虛擬檢測(cè)。通常情況下，檢測(cè)依靠超聲波來判斷是否存在裂痕。如果檢測(cè)出裂痕，便將出現(xiàn)裂痕的部件報(bào)廢。然而，在設(shè)定了裂痕下限的檢測(cè)中，檢測(cè)到裂痕的概率本身就是個(gè)隨機(jī)因素，因此很多時(shí)候檢測(cè)并不會(huì)發(fā)現(xiàn)任何問題。畢竟，導(dǎo)致出現(xiàn)裂痕的因素（例如載重、車速和溫度）會(huì)不斷變化。“我們的方法*不同。”Wever介紹道，“我們首先要預(yù)測(cè)裂痕的尺寸，這樣只有在檢測(cè)到裂痕的概率足夠高時(shí)，才會(huì)執(zhí)行檢測(cè)，從而節(jié)約檢測(cè)成本。” Paffrath還介紹說：“為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們目前正在計(jì)算固定檢測(cè)周期檢測(cè)到故障的概率。”針對(duì)這項(xiàng)計(jì)算，Wever和Paffrath首先使用了Fraunhofer Institute的一個(gè)程序。該程序可以在不考慮不確定性和檢測(cè)的情況下計(jì)算裂痕的惡化程度。然后他們“向這個(gè)程序中添加復(fù)雜的算法，使其能夠計(jì)算不同檢測(cè)情形檢測(cè)到故障的概率。”結(jié)果如何？新研發(fā)的軟件目前正在奧地利格拉茨的西門子鐵路系統(tǒng)集團(tuán)接受試驗(yàn)評(píng)估。“我們現(xiàn)在能夠預(yù)測(cè)裂痕的尺寸，檢測(cè)工作成本高昂，但有些檢測(cè)是不必要的，我們的計(jì)算可以減小此類檢測(cè)的不確定性。” Wever說，“然后，我們會(huì)將實(shí)際檢測(cè)的結(jié)果與我們的預(yù)測(cè)加以比較。初步結(jié)果十分樂觀。”