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美國航空航天局在火星科學實驗室航天任務中打造了一輛配備*技術的探測車，它就是家喻戶曉的“好奇號”,。這項航天任務是航天機構有史以來技術較為復雜的項目,。項目的研發(fā)和測試工作是使用西門子的設計和模擬軟件完成的，它為正在機器領域嶄露頭角的無縫通信——真實世界與虛擬世界的融合——提供了寫照,。

在極寒的外太空運行36周,，行程長達5.67億公里，飛行速度超過7.6萬公里/小時,，而這些都只是長征的*步,。2012年8月5日，當造價25億美元,、重900公斤,、一輛小型轎車大小的火星科學實驗室（MSL）探測車穿梭到火星大氣中時,，它還在以2.1萬公里/小時的高速向前飛行。那時它必須在七分鐘內減速到2公里/小時以下的著陸速度,，如若不然,，探測車將與火星相撞，毀于一旦,。

為使探測車能平穩(wěn)著陸,，防止為尋找生命化學成分而設計的裝備受損，探測車必須分毫不差地執(zhí)行數百個步驟的復雜操作,，并且整個過程沒有人工干預,。面對這樣一個難題，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試這個過程,。西門子工業(yè)自動化集團PLM（產品生命周期管理）業(yè)務部總裁兼*執(zhí)行官Chuck Grindstaff指出：“美國航空航天局的噴射推進實驗室利用我們的模擬軟件完成了系統(tǒng)各個方面的設計,。從熱分析到探測車進入火星大氣時可能會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)揮了關鍵作用,。”

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

Daren Rhoades是西門子PLM軟件加利福尼亞州Cypress研發(fā)中心的一名產品開發(fā)高級經理，不久前剛剛結束在美國國家航空航天局的MSL（“好奇號”）航天任務研發(fā)小組的任務,。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，一切都可以在虛擬世界中完成,，從概念設計到詳細的部件設計,，從組裝到測試，全都可以模擬,。”比如美國航空航天局稱之為“驚險7分鐘”的MSL著陸順序,，這個性命攸關的安排就是經過8000次模擬之后得出的方案。“從模擬走向實際部署,，這種能力具有相當重要的意義,。” Rhoades如是道。

確實如此,。比如為“好奇號”專門設計的“空中吊車”,，這個全新研發(fā)的系統(tǒng)可以在探測車降落的最后階段減慢探測車的速度，使其緩緩地降落到火星表面,。研究人員利用PLM軟件對“空中吊車”火箭引擎的火苗擴散情況進行了模擬,，以確?；鹈绮粫C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,。為實現這一點，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。”負責美國航空航天局項目的PLM客戶主管Joel Rooks介紹道,。

復雜性也是一個主要問題,。整個裝配組合包含約9萬個專門制造的部件，其中很多部件與設計規(guī)格的容差只有100微米——大約相當于一根頭發(fā)絲的直徑,。更苛刻的是,，為盡量避免浪費空間，這些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1648℃的溫差下不同材料的熱脹冷縮空間。“要設計可以如此緊湊布置的部件,，需要新的功能和技術。”美國航空航天局火星探測計劃負責人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。”

“驚險七分鐘”,。用吊索將探測車降落到火星表面是特別精細的任務,。研究人員對著陸階段進行了8000次模擬。

“在系統(tǒng)所有部件的設計中,，非常重要的是確保不同部件不會接觸到其他部件,，因為這種接觸可能會導致部件受損。”PLM解決方案部的顧問Kent Rash介紹道,，“鑒于每個部件涉及不同的材料,，確保做到這一點的 方法，就是針對每個部件構建一個有限元素模型,。利用這種方法,，我們將復雜的表面劃分成很小的元素，然后根據元素之間的關系來計算元素,。”

從模型到生產——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)閷嶋H的產品——它不僅可以生成CAD（計算機輔助設計）模型,，而且還利用計算機輔助工程（CAE）軟件，在設計中套入相關功能和物理數據,，比如根據部件的原材料,，它可以耐受多大的應力或熱度?？紤]到機器中的很多部件根據設計原理都會運動并相互作用,，NX還可以執(zhí)行人們所說的“動態(tài)模擬”。通過這種模擬,，工程師可以“在仿真環(huán)境下對各種規(guī)模的裝配組合進行動態(tài)測試,，比如模擬測試探測器著陸，然后計算出著陸時對整個探測器結構產生的應力,。” Rhoades介紹道,，“首先要為部件構建一個虛擬的原始NX CAD模型，定義用于生產這個部件的工具,，然后以在有限元分析中使用的原始CAD模型為基礎,，用NX CAM軟件運行機器。”上述方法具有諸多優(yōu)勢,，而對于造價數十億美元的航天器而言,，其中較有意義的優(yōu)勢莫過于精確性。“采用數字模型,，并配合計算機數控（CNC）,，可以使部件生產實現超高精度。” Rhoades補充道,，“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),。復雜的項目不僅要求使用出色的模擬軟件,，而且需要一個有利于大規(guī)模工程師團隊中的成員在同一項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是貫穿整個工程設計流程的關鍵支持系統(tǒng)。” 西門子PLM*執(zhí)行官Grindstaff透露,，“這個軟件提供了需求管理,、項目管理和合規(guī)等方面的一系列應用，它是整個設計流程的支柱,。”正如NX一樣,，Teamcenter不僅在美國航空航天局的噴射推進實驗室航天任務中發(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）航天飛船成為與國際空間站成功對接的私人商業(yè)飛船,。

美國航空航天局和SpaceX等機構為何會看中Teamcenter？“原因很簡單,。” Rhoades說道,，“因為航天飛船的每個部件都十分重要。Teamcenter不僅確保所有授權工作人員只能看到其當前用到的項目數據,，從而最大限度減少人為錯誤,，同時還可以追蹤每個部件的原始設計、分析數據和生產數據,。當一份設計通過審批后可以投產時,，Teamcenter會將其予以記錄。所有這些將帶來非?？捎^的潛在節(jié)支效果,。”

不足為奇的是，航天機構并不是看重虛擬化模型設計和協(xié)作開發(fā)所帶來的競爭優(yōu)勢的用戶,。“我們有7萬家客戶,。”Grindstaff透露，他還指出西門子PLM軟件在全球市場的年營業(yè)額達200億美元,，并且這個數字每年還在以5%到7%的速度增長,。“在協(xié)作技術和數據管理領域，我們擁有*優(yōu)勢,。在數字化生產技術領域,，我們擁有*優(yōu)勢，在機械CAD/CAM領域,，我們同樣是排名第二的強勁競爭者,。”

整套設備包含約9萬個部件，其中很多與設計規(guī)格的容差只有100微米,，大約相當于一根頭發(fā)絲的直徑。

與此同時,，西門子也在乘勝追擊,，爭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,，擴展PLM技術的應用范圍,。此外，西門子還與戴姆勒公司簽署了一份全球性協(xié)議,，后者將在其所有產品開發(fā)及生產部門引進Teamcenter和NX平臺,。“引進研發(fā)、設計,、生產計劃和生產協(xié)作軟件,，將進一步優(yōu)化戴姆勒的整個價值鏈,，讓它更快地生產更好的產品。” 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汽車供應商之一,，后者是汽車行業(yè)中最大的座椅供應商,。

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

那么美國航空航天局在其的火星探測器項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品 ,，因此無法去量化這個幅度。“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”/MSL航天任務為從概念設計到生產和測試的*集成樹立了新標準。西門子工業(yè)業(yè)務領域*執(zhí)行官兼西門子管理委員會成員Siegfried Russwurm表示：“過去各種過程是按順序執(zhí)行的,。美國航空航天局在火星探測車的研發(fā)過程中實現了模式轉變,，建立了集成化數據庫，從產品設計到生產設計,，均采用一種整合的方式,。數百名工程師使用統(tǒng)一的模型，共享統(tǒng)一的數據庫,，通過這個統(tǒng)一的數據庫,，真正實現了從仿真到實際生產的無縫對接。”

PLM主管Rooks補充說：“MSL是美國航空航天局有史以來技術較為復雜的項目,。重要的是,，我們的工具幫助他們完成了所有模擬和優(yōu)化。當他們對探測車進行測試并把它發(fā)射到火星的時候，一切順利,。”

Arthur F. Pease

不確定性量化：模擬科學的下一步發(fā)展

無論是向火星發(fā)射飛船,，還是乘坐高鐵穿越歐洲，總會有無數的事情基本上是無從預測的,。這些都可以歸結為一個不可辯駁的因素：不確定性,。那么何不嘗試對不確定性本身進行量化？西門子中央研究院的兩位模擬技術和數學專家Utz Wever博士和Meinhard Paffrath博士,，目前就在開展相關研究,。他們的研究重點是列車輪組。“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,。通常情況下，檢測依靠超聲波來判斷是否存在裂痕,。如果檢測出裂痕,，便將出現裂痕的部件報廢。然而,，在設定了裂痕下限的檢測中,，檢測到裂痕的概率本身就是個隨機因素，因此很多時候檢測并不會發(fā)現任何問題,。畢竟,，導致出現裂痕的因素（例如載重、車速和溫度）會不斷變化,。“我們的方法*不同,。”Wever介紹道，“我們首先要預測裂痕的尺寸,，這樣只有在檢測到裂痕的概率足夠高時,，才會執(zhí)行檢測，從而節(jié)約檢測成本,。” Paffrath還介紹說：“為了實現這一目標，我們目前正在計算固定檢測周期檢測到故障的概率,。”針對這項計算,，Wever和Paffrath首先使用了Fraunhofer Institute的一個程序。該程序可以在不考慮不確定性和檢測的情況下計算裂痕的惡化程度。然后他們“向這個程序中添加復雜的算法,，使其能夠計算不同檢測情形檢測到故障的概率,。”結果如何？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)集團接受試驗評估,。“我們現在能夠預測裂痕的尺寸,，檢測工作成本高昂，但有些檢測是不必要的,，我們的計算可以減小此類檢測的不確定性,。” Wever說，“然后,，我們會將實際檢測的結果與我們的預測加以比較,。初步結果十分樂觀。”