2012年8月5日，當(dāng)造價25億美元、重達(dá)900公斤、接近小型轎車大小的“好奇號”探測車進(jìn)入火星大氣層時，這個配備頂尖技術(shù)的大家伙還在以2.1萬公里/小時的高速向前飛行。由于火星的大氣層密度只有地球的1%，“好奇號”穿梭這層稀薄的大氣時，必須在短短7分鐘內(nèi)自行將時速從約2萬公里驟降至零。否則，這一史上造價最昂貴、設(shè)計(jì)最精密的行星探測器將與火星相撞，游戲結(jié)束。

對于造價數(shù)十億美元的航天器而言，最關(guān)鍵的莫過于精確性。在被NASA（美國航空航天局）工程師們稱作“恐怖7分鐘”的“好奇號”著陸過程中，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’的任何一個實(shí)體部件被制造出來之前，就已經(jīng)完成了全部的設(shè)計(jì)、模擬仿真和驗(yàn)證過程，也就是說，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)模擬仿真過程都已經(jīng)在軟件里被實(shí)現(xiàn)了?！被貞浧疬@項(xiàng)航天創(chuàng)舉，西門子PLM Software制造工程軟件業(yè)務(wù)高級副總裁Zvi Feuer依然興奮不已。西門子產(chǎn)品生命周期管理（PLM）軟件是“好奇號”系統(tǒng)開發(fā)和測試的幕后功臣，“我們的軟件能夠保證，當(dāng)這個東西真的被生產(chǎn)以及被發(fā)射到火星上時，每一個要求的動作都能夠精確實(shí)現(xiàn)?！?Zvi Feuer對澎湃新聞（www.dbgt.com.cn）說。

如今，這套確保探測器各部件完美協(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“對話”，虛擬世界與真實(shí)生產(chǎn)空間得以實(shí)現(xiàn)無縫通信。

“好奇號”的幕后功臣

無論是探測車的設(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”都堪稱火星探測史上最具野心的計(jì)劃。為使探測車平穩(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，探測車必須分毫不差地執(zhí)行數(shù)百個步驟的復(fù)雜操作，并且整個過程沒有人工干預(yù)。任何一個細(xì)節(jié)出錯，所有前期投資與努力瞬間化為烏有。

但問題是，在大氣密度高出火星100倍的地球，這個過程根本無從演練，唯有借助虛擬平臺模擬火星環(huán)境。負(fù)責(zé)推進(jìn)“好奇號”項(xiàng)目的NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）利用西門子的模擬軟件對火星探測器進(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)。提到西門子，人們總是很容易聯(lián)想到德國精良的硬件設(shè)備，其實(shí)，這家工業(yè)自動化領(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)，從組裝到測試，一切都事先在虛擬世界中完成。模擬軟件成了探測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”火星車重量太大，無法使用常規(guī)的安全氣囊著陸，工程師們專門設(shè)計(jì)了“空中吊車”，幫助探測車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”將脫離“好奇號”。

參與該項(xiàng)目的NASA工程師Anita Sengupta在一段視頻中說：“我們不能在‘好奇號’距離地面很近的時候點(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’的機(jī)械裝置和儀器設(shè)備?！?

于是，研究人員利用PLM軟件對“空中吊車”火箭引擎的火苗擴(kuò)散情況進(jìn)行了模擬，以確保火苗不會燙壞探測車或用于固定探測車的套具。“不僅吊索要能分毫不差地降下探測車，確保探測車不會受到火苗干擾，同時還有一條類似于臍帶的線纜連接著探測器和吊車，在分離時間點(diǎn)上吊車升起的時候才會斷開。所有這些線纜都必須同時斷開。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?！必?fù)責(zé)NASA項(xiàng)目的PLM客戶主管Joel Rooks介紹道。

如何控制這一龐大工程的各個部件相互協(xié)調(diào)避免碰撞，是擺在工程師面前的另一道難題?！昂闷嫣枴闭自O(shè)備包含約9萬個專門制造的部件，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)雜的并非火星探測車本身，而是整個探測計(jì)劃中各個系統(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極其擁擠的包中，但是同時又要留出發(fā)射和返回時劇烈晃動的擺動空間，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火星探測計(jì)劃負(fù)責(zé)人Doug McCuistion博士說，“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?！?

“鑒于每個部件涉及不同的材料，確保做到這一點(diǎn)的唯一方法，就是針對每個部件構(gòu)建一個有限元素模型。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?！?PLM解決方案部的顧問Kent Rash介紹說。

通過這種模擬，工程師可以在仿真環(huán)境下對各種規(guī)模的裝配組合進(jìn)行動態(tài)測試，比如模擬測試探測器著陸，從而計(jì)算出著陸時對整個探測器結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力。同時，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”整個系統(tǒng)的整合，一共使用了50萬行計(jì)算機(jī)代碼，令其在極端的火星環(huán)境下全自動地進(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)與仿真測試的不止NASA一家。精確、高效、降低出錯率、嚴(yán)控成本，同樣是所有制造型企業(yè)的普遍訴求，尤其對于那些數(shù)字化生產(chǎn)的熱衷者與先行者而言，軟件帶來的效益提升，在效率和直觀性上遠(yuǎn)勝于硬件的更新?lián)Q代。

一個常見的情景是，同一個工位上配備多臺工業(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？” 西門子PLM Software制造工程軟件業(yè)務(wù)高級副總裁Zvi Feuer對澎湃新聞（www.dbgt.com.cn）說。生產(chǎn)流程的順暢性、盡可能減少停機(jī)時間，對于生產(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)然有好幾個機(jī)器人一起工作的時候，每個機(jī)器人其實(shí)都有一個單獨(dú)的控制器，單獨(dú)的控制器可以是一個PLC（可編程邏輯控制器），整個工作單元都可以是一個PLC?！?Zvi Feuer解釋說，基于自動化編程控制，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。

“對于機(jī)器人，許多人將所有注意力放在（單個）路徑規(guī)劃上?！?但若面對的是一個龐大的生產(chǎn)系統(tǒng)，這就略顯不足。Zvi Feuer對澎湃新聞（www.dbgt.com.cn）說，西門子設(shè)計(jì)的所有流程都基于邏輯化編程。這不僅涉及單個機(jī)器人，還有多個單體之間的互聯(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，一旦闖入對方安全區(qū)，機(jī)器人就會自行向?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”，另一個機(jī)器人則會回答說“好的我知道了”。這就是發(fā)生在邏輯化編程下的情境對話。

人機(jī)協(xié)作時代的再定義

“打個招呼吧，這位是你的機(jī)器人新同事。”不久的將來，或者說就是現(xiàn)在，越來越多的老板會對你這么說。人機(jī)協(xié)作時代的到來，拆除了擋在人類與機(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)器人真的會殺人嗎？除了那些真正在生產(chǎn)線上與輕型協(xié)作性機(jī)器人一起工作過的工人之外，許多人似乎對機(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)危險接觸之前就會進(jìn)行提示?！?Zvi Feuer認(rèn)為，假如只是一臺協(xié)作性機(jī)器人在生產(chǎn)線上工作，那沒問題。若是人機(jī)混合產(chǎn)線，或者今天是人工產(chǎn)線明天又要換成人機(jī)混合產(chǎn)線，在邏輯編程上就要復(fù)雜得多。這種情景并不遙遠(yuǎn)，數(shù)字化制造時代越來越強(qiáng)調(diào)靈活生產(chǎn)。

“在這種既有人類又有機(jī)器人的生產(chǎn)線上，很多時候機(jī)器人的一些動作或是指令，變化是很多的，不僅有安全系數(shù)的問題，也有實(shí)時修改機(jī)器人路徑等方面的問題。這些問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)時的修改和優(yōu)化。” Zvi Feuer說。

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。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)動流程事先在數(shù)字化平臺上呈現(xiàn)，以便于工程師進(jìn)一步調(diào)整。等到真正投產(chǎn)時，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，我們就可以看到實(shí)時會發(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。