2012年8月5日，當(dāng)造價(jià)25億美元、重達(dá)900公斤、接近小型轎車(chē)大小的“好奇號(hào)”探測(cè)車(chē)進(jìn)入火星大氣層時(shí)，這個(gè)配備頂尖技術(shù)的大家伙還在以2.1萬(wàn)公里/小時(shí)的高速向前飛行。由于火星的大氣層密度只有地球的1%，“好奇號(hào)”穿梭這層稀薄的大氣時(shí)，必須在短短7分鐘內(nèi)自行將時(shí)速?gòu)募s2萬(wàn)公里驟降至零。否則，這一史上造價(jià)最昂貴、設(shè)計(jì)最精密的行星探測(cè)器將與火星相撞，游戲結(jié)束。

對(duì)于造價(jià)數(shù)十億美元的航天器而言，最關(guān)鍵的莫過(guò)于精確性。在被NASA（美國(guó)航空航天局）工程師們稱(chēng)作“恐怖7分鐘”的“好奇號(hào)”著陸過(guò)程中，所有設(shè)備和程序不容閃失。而這一切，必須由計(jì)算機(jī)獨(dú)立完成。生死攸關(guān)的7分鐘，實(shí)則是演繹了8000次虛擬模擬之后得出的最佳方案。

“在‘好奇號(hào)’的任何一個(gè)實(shí)體部件被制造出來(lái)之前，就已經(jīng)完成了全部的設(shè)計(jì)、模擬仿真和驗(yàn)證過(guò)程，也就是說(shuō)，在每一美元被用于實(shí)際生產(chǎn)之前，所有的數(shù)字化設(shè)計(jì)模擬仿真過(guò)程都已經(jīng)在軟件里被實(shí)現(xiàn)了。”回憶起這項(xiàng)航天創(chuàng)舉，西門(mén)子PLM Software制造工程軟件業(yè)務(wù)高級(jí)副總裁Zvi Feuer依然興奮不已。西門(mén)子產(chǎn)品生命周期管理（PLM）軟件是“好奇號(hào)”系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和測(cè)試的幕后功臣，“我們的軟件能夠保證，當(dāng)這個(gè)東西真的被生產(chǎn)以及被發(fā)射到火星上時(shí)，每一個(gè)要求的動(dòng)作都能夠精確實(shí)現(xiàn)?！?Zvi Feuer對(duì)澎湃新聞（www.dbgt.com.cn）說(shuō)。

如今，這套確保探測(cè)器各部件完美協(xié)作的軟件系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)世界，執(zhí)行不同操作任務(wù)的機(jī)器人被安上了“大腦”、產(chǎn)生“對(duì)話(huà)”，虛擬世界與真實(shí)生產(chǎn)空間得以實(shí)現(xiàn)無(wú)縫通信。

“好奇號(hào)”的幕后功臣

無(wú)論是探測(cè)車(chē)的設(shè)計(jì)、搭載的技術(shù)與裝備、擔(dān)負(fù)的任務(wù)還是降落著陸的方式，“好奇號(hào)”都堪稱(chēng)火星探測(cè)史上最具野心的計(jì)劃。為使探測(cè)車(chē)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(chē)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(guò)程沒(méi)有人工干預(yù)。任何一個(gè)細(xì)節(jié)出錯(cuò)，所有前期投資與努力瞬間化為烏有。

但問(wèn)題是，在大氣密度高出火星100倍的地球，這個(gè)過(guò)程根本無(wú)從演練，唯有借助虛擬平臺(tái)模擬火星環(huán)境。負(fù)責(zé)推進(jìn)“好奇號(hào)”項(xiàng)目的NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）利用西門(mén)子的模擬軟件對(duì)火星探測(cè)器進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)、模擬和虛擬組裝，以便后續(xù)制造樣機(jī)。提到西門(mén)子，人們總是很容易聯(lián)想到德國(guó)精良的硬件設(shè)備，其實(shí)，這家工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的巨擘本身也是工程軟件巨頭。利用模擬技術(shù)，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，一切都事先在虛擬世界中完成。模擬軟件成了探測(cè)器從虛擬世界通向現(xiàn)實(shí)紅色星球的橋梁。

比如，由于“好奇號(hào)”火星車(chē)重量太大，無(wú)法使用常規(guī)的安全氣囊著陸，工程師們專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了“空中吊車(chē)”，幫助探測(cè)車(chē)在降落的最后階段減速，緩緩降落到火星表面。著陸之后，“空中吊車(chē)”將脫離“好奇號(hào)”。

參與該項(xiàng)目的NASA工程師Anita Sengupta在一段視頻中說(shuō)：“我們不能在‘好奇號(hào)’距離地面很近的時(shí)候點(diǎn)燃火箭。因?yàn)樵谶@種情況下，火箭將形成巨大的塵云，破壞‘好奇號(hào)’的機(jī)械裝置和儀器設(shè)備?！?

于是，研究人員利用PLM軟件對(duì)“空中吊車(chē)”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(chē)或用于固定探測(cè)車(chē)的套具?！安粌H吊索要能分毫不差地降下探測(cè)車(chē)，確保探測(cè)車(chē)不會(huì)受到火苗干擾，同時(shí)還有一條類(lèi)似于臍帶的線(xiàn)纜連接著探測(cè)器和吊車(chē)，在分離時(shí)間點(diǎn)上吊車(chē)升起的時(shí)候才會(huì)斷開(kāi)。所有這些線(xiàn)纜都必須同時(shí)斷開(kāi)。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(xiàn)纜。上述這些過(guò)程都是通過(guò)我們的軟件來(lái)模擬的?！必?fù)責(zé)NASA項(xiàng)目的PLM客戶(hù)主管Joel Rooks介紹道。

如何控制這一龐大工程的各個(gè)部件相互協(xié)調(diào)避免碰撞，是擺在工程師面前的另一道難題。“好奇號(hào)”整套設(shè)備包含約9萬(wàn)個(gè)專(zhuān)門(mén)制造的部件，其中很多與設(shè)計(jì)規(guī)格的容差只有100微米，這大約相當(dāng)于一根頭發(fā)絲的直徑。最復(fù)雜的并非火星探測(cè)車(chē)本身，而是整個(gè)探測(cè)計(jì)劃中各個(gè)系統(tǒng)單元的整合。這就好比，要制造和控制單一部件并不難，但要使整個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)有條不紊地運(yùn)轉(zhuǎn)，難度和工作量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單一部件的累加。

更苛刻的是，為盡量避免浪費(fèi)空間，所有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?！耙O(shè)計(jì)可以如此緊湊布置的部件，需要新的功能和技術(shù)?！盢ASA火星探測(cè)計(jì)劃負(fù)責(zé)人Doug McCuistion博士說(shuō)，“我們采用了西門(mén)子的很多系統(tǒng)，來(lái)幫助我們完成這些工作?！?

“鑒于每個(gè)部件涉及不同的材料，確保做到這一點(diǎn)的唯一方法，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(lái)計(jì)算元素?！?PLM解決方案部的顧問(wèn)Kent Rash介紹說(shuō)。

通過(guò)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，從而計(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。同時(shí)，采用數(shù)字模型，并配合計(jì)算機(jī)數(shù)控，可以使部件生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)超高精度。據(jù)介紹，“好奇號(hào)”整個(gè)系統(tǒng)的整合，一共使用了50萬(wàn)行計(jì)算機(jī)代碼，令其在極端的火星環(huán)境下全自動(dòng)地進(jìn)行工作。

用邏輯武裝工業(yè)機(jī)器人的大腦

看中虛擬化模型設(shè)計(jì)與仿真測(cè)試的不止NASA一家。精確、高效、降低出錯(cuò)率、嚴(yán)控成本，同樣是所有制造型企業(yè)的普遍訴求，尤其對(duì)于那些數(shù)字化生產(chǎn)的熱衷者與先行者而言，軟件帶來(lái)的效益提升，在效率和直觀(guān)性上遠(yuǎn)勝于硬件的更新?lián)Q代。

一個(gè)常見(jiàn)的情景是，同一個(gè)工位上配備多臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，它們負(fù)責(zé)不同任務(wù)卻又要相互協(xié)作，如何確保張牙舞爪的機(jī)械臂不打架？想像一下，若要在現(xiàn)實(shí)物理環(huán)境下進(jìn)行調(diào)試，畫(huà)面未免有些慘烈。但置于虛擬軟件環(huán)境下定義任務(wù)并進(jìn)行調(diào)試，相當(dāng)于事先給機(jī)器人安上了“理智的大腦”。

“機(jī)器人可以進(jìn)行交流。問(wèn)題的關(guān)鍵在于，如何在作出投資之前，確保機(jī)器人在正確的位置上有序地操作？” 西門(mén)子PLM Software制造工程軟件業(yè)務(wù)高級(jí)副總裁Zvi Feuer對(duì)澎湃新聞（www.dbgt.com.cn）說(shuō)。生產(chǎn)流程的順暢性、盡可能減少停機(jī)時(shí)間，對(duì)于生產(chǎn)者而言至關(guān)重要。

“機(jī)器人工作單元的設(shè)計(jì)中可以分成三部分，10%的重要性放在路徑規(guī)劃，10%的重要性放在虛擬調(diào)試，80%放在邏輯化編程方面。當(dāng)然有好幾個(gè)機(jī)器人一起工作的時(shí)候，每個(gè)機(jī)器人其實(shí)都有一個(gè)單獨(dú)的控制器，單獨(dú)的控制器可以是一個(gè)PLC（可編程邏輯控制器），整個(gè)工作單元都可以是一個(gè)PLC?！?Zvi Feuer解釋說(shuō)，基于自動(dòng)化編程控制，不同機(jī)器人之間可以避免沖突與碰撞，在有限空間內(nèi)各司其職。

“對(duì)于機(jī)器人，許多人將所有注意力放在（單個(gè)）路徑規(guī)劃上?！?但若面對(duì)的是一個(gè)龐大的生產(chǎn)系統(tǒng)，這就略顯不足。Zvi Feuer對(duì)澎湃新聞（www.dbgt.com.cn）說(shuō)，西門(mén)子設(shè)計(jì)的所有流程都基于邏輯化編程。這不僅涉及單個(gè)機(jī)器人，還有多個(gè)單體之間的互聯(lián)，并在此技術(shù)上進(jìn)行虛擬調(diào)試。

所謂虛擬調(diào)試，就是在完成設(shè)計(jì)和邏輯化編程后，運(yùn)用虛擬調(diào)試驗(yàn)證程序的可行性。所有這些，都是建立在高度精確的數(shù)字模型（digital twin）上實(shí)現(xiàn)的。有了數(shù)字模型之后，工程師就可以預(yù)測(cè)機(jī)器人在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)環(huán)境中是如何彼此接觸的、運(yùn)動(dòng)路徑如何。獲取這些數(shù)據(jù)后，再進(jìn)行邏輯編程，繼而在現(xiàn)實(shí)中做測(cè)試，就可以防止機(jī)器人之間出現(xiàn)不必要的碰撞。

換言之，在數(shù)字化定義下，執(zhí)行不同操作任務(wù)的機(jī)器人“知曉”彼此間的安全距離，一旦闖入對(duì)方安全區(qū)，機(jī)器人就會(huì)自行向?qū)Ψ桨l(fā)紅色警報(bào)“當(dāng)心哦，我正在進(jìn)入你的安全區(qū)域”，另一個(gè)機(jī)器人則會(huì)回答說(shuō)“好的我知道了”。這就是發(fā)生在邏輯化編程下的情境對(duì)話(huà)。

人機(jī)協(xié)作時(shí)代的再定義

“打個(gè)招呼吧，這位是你的機(jī)器人新同事。”不久的將來(lái)，或者說(shuō)就是現(xiàn)在，越來(lái)越多的老板會(huì)對(duì)你這么說(shuō)。人機(jī)協(xié)作時(shí)代的到來(lái)，拆除了擋在人類(lèi)與機(jī)器人之間的安全隔離網(wǎng)，使得人機(jī)得以并肩工作。機(jī)器人真的會(huì)殺人嗎？除了那些真正在生產(chǎn)線(xiàn)上與輕型協(xié)作性機(jī)器人一起工作過(guò)的工人之外，許多人似乎對(duì)機(jī)器人的安全性始終存疑。

“首先要確定人和機(jī)器人之間的安全區(qū)域，然后改進(jìn)機(jī)器人的邏輯編程，讓兩者可以在自己相對(duì)安全的區(qū)域內(nèi)獨(dú)立工作。第二就是傳感器，有了先進(jìn)靈活的傳感器之后，在人機(jī)危險(xiǎn)接觸之前就會(huì)進(jìn)行提示。” Zvi Feuer認(rèn)為，假如只是一臺(tái)協(xié)作性機(jī)器人在生產(chǎn)線(xiàn)上工作，那沒(méi)問(wèn)題。若是人機(jī)混合產(chǎn)線(xiàn)，或者今天是人工產(chǎn)線(xiàn)明天又要換成人機(jī)混合產(chǎn)線(xiàn)，在邏輯編程上就要復(fù)雜得多。這種情景并不遙遠(yuǎn)，數(shù)字化制造時(shí)代越來(lái)越強(qiáng)調(diào)靈活生產(chǎn)。

“在這種既有人類(lèi)又有機(jī)器人的生產(chǎn)線(xiàn)上，很多時(shí)候機(jī)器人的一些動(dòng)作或是指令，變化是很多的，不僅有安全系數(shù)的問(wèn)題，也有實(shí)時(shí)修改機(jī)器人路徑等方面的問(wèn)題。這些問(wèn)題更加突出了邏輯編程的重要性。有了邏輯編程之后，才能夠做一些實(shí)時(shí)的修改和優(yōu)化。” Zvi Feuer說(shuō)。

新技術(shù)的發(fā)展，正呈現(xiàn)出機(jī)器人領(lǐng)域新的可能性。Zvi Feuer認(rèn)為，可視化、傳感器與機(jī)器人本身的易用性是三股重要趨勢(shì)。比如可視化技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，可視化系統(tǒng)和模擬仿真結(jié)合，可以將機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)流程事先在數(shù)字化平臺(tái)上呈現(xiàn)，以便于工程師進(jìn)一步調(diào)整。等到真正投產(chǎn)時(shí)，機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性就更大。可視化系統(tǒng)和傳感器結(jié)合在一起，則可以讓機(jī)器人更加精確高效?！斑@樣一來(lái)，我們就可以看到實(shí)時(shí)會(huì)發(fā)生什么，看到了發(fā)生什么之后，就可以快速作出決策?！?Zvi Feuer說(shuō)。