模擬指的是利用軟體和硬體技術模仿實際物理世界中的系統以及系統的行為、操作和流程等關鍵特徵的技術。簡單來說，模擬就是對真實系統的抽象描述，並儘可能地挖掘出其中最本質的
機理和特徵
。
◎ 文/ 智造苑
本文引自：《未來製造新模式——理論、模式及實踐》（作者：江志斌，林文進，王康周，李樂飛，塗金）
模擬技術的應用廣泛，從模擬物件的角度可以分為計算機硬體系統、控制系統、製造系統、服務系統、人力資源管理、專案管理、市場演化、社會系統、經濟系統和生態系統等等；
從模擬的目的可以分為安全工程、開發測試、培訓與教育、系統最佳化以及遊戲與娛樂等。
模擬技術具有多種優勢，如可伸縮性、可擴充套件性、易理解性等，同時很多模擬技術還具備視覺化的展示能力，這種動畫影片的形式不僅可以用於效果展示，還可以用於驗證、培訓和除錯，使得模擬結果更有說服力。隨著計算機圖形學、大資料分析技術、人機介面技術、感測技術等最新技術的迅速發展，
模擬技術視覺化的這一優勢也更加凸顯出來，最有代表性的就是虛擬現實技術，也被稱為VR（virtual reality）技術。
虛擬現實技術就是結合模擬軟體和穿戴式智慧硬體，為使用者提供一個計算機中的沉浸式模擬環境，這種沉浸式的體驗包括了聽覺、視覺甚至是觸覺等其他感覺。
隨著虛擬現實及模擬技術的飛速發展，業界和學術界都慢慢開始嘗試將其引入到製造業當中，
其中有代表性的有供應鏈管理、生產物流管理和顧客需求管理這三個領域。
基於虛擬現實及模擬技術的
供應鏈管理
在製造業和運營管理領域，供應鏈（supply chain）的概念很早就被提出並有大量的理論和實踐研究。一個供應鏈不僅包括生產製造和原料供應，還包括運輸、倉儲、分銷以及消費者自身等各個環節。所有的這些階段共同組成一個複雜的網路結構，其中既有物流關係，還包括資訊流和資金流。隨著經濟全球化的加深，供應鏈上的主體更得更多且關係複雜，使得整個供應鏈的複雜性和風險性不斷增加。供應鏈管理中需要分析和設計的引數越多，透過傳統的數學解析模型來對供應鏈進行分析的難度就越大。在考慮不同的約束和目標的情況下，模擬技術提供了識別供應鏈風險、理解和評估供應鏈效能的機會，因此，考慮到供應鏈中的高度隨機性，模擬技術是一種可以用於供應鏈管理複雜決策分析和效能評估的強大工具。
IBM曾經開發過基於模擬技術和量化分析方法的供應鏈分析軟體AMT（asset management tool）。據估計，AMT在1998年共為企業節省7。5億美元，而IBM公司也因此獲得了美國INFORMS協會在1999年頒佈的Franz Edelman獎。通過後來的不斷開發和完成，IBM又在AMT的基礎上開發了SCA軟體（supply chain analyzer）。完善後的SCA基本包含了供應鏈運營管理中的關鍵問題，如庫存水平控制、補貨策略、運輸策略等。更值得注意的是，該軟體已經真正地融入到企業資訊系統和企業運營流程中，並且考慮到網際網路發展的趨勢，引入了基於Web端的介面和資料介面。為了保證軟體的易用性，該模擬平臺在使用者介面的設計中考慮了使用者的定製化需求，可以想象，隨著虛擬現實技術的不斷髮展，使用者在未來甚至可以直接與虛擬的供應鏈模型進行體感互動。
從這個例子中可以看出，模擬技術基本可以融入供應鏈管理中各個方面中。具體來講，模擬技術目前在供應鏈管理領域上主要有三個方面的應用，其中既包括前期的供應鏈設計，又包括中後期的供應鏈風險管理和供應鏈運營管理。
1）供應鏈設計
供應鏈作為一個包含供應商、製造商、分銷商、承運商的多層結構化網路，其網路系統的設計是一項艱鉅的任務。其中既包括了設施位置、生產能力、庫存量、運輸模式等生產性指標，又包括了供應關係、合作關係、資訊共享政策等商業運營指標。這些指標的組織最佳化空間非常巨大，雖然我們可以透過運籌學和大資料分析的方法篩選引數組合，但是由於供應鏈模型的抽象性，篩選後的引數組合並不能直觀地給設計者以決策“信心”。而模擬技術可以最大程度地模仿現實中的各種情況，並儘可能地減少模型不切實際的假設。在供應鏈設計的階段，即使設計者完全沒有運籌學或資料分析的知識基礎，也可以透過調整模擬模型使用者介面中的各個引數設定來直觀評估供應鏈設計方案的優劣。將模擬技術引入到供應鏈設計中可以最大程度地描述出供應鏈中的非線性關係，輔助設計者處理大規模的設計問題。Teriz和Cavalieri將模擬技術在庫存、配送運輸、生產排程、需求、銷售以及供應鏈網路設計等問題做了綜述性的分類總結。
2）供應鏈運營
在實際運營過程中，可以透過建立供應鏈模擬模型為日常的運營管理提供過程控制、決策支援和前置性計劃。在運營過程中，供應鏈時刻處於動態變化之中，但結合感測器技術和大資料分析，我們可以將供應鏈的實時資料和分析結果輸入到模擬模型中，使得模擬模型也隨著供應鏈的變化而演化，並始終保證二者在核心指標上儘可能的保持一致，有學者將類似的模擬模型概念稱為“虛擬供應鏈”。虛擬供應鏈在供應鏈設計階段，可用於評估供應鏈的不同配置。在進入運營階段後，該模擬模型同樣也會演化並提供有價值的支援。在此階段使用模擬技術可以支援供應鏈計劃和排程以及供應鏈執行策略。對於供應鏈執行，透過評估發生意外情況時可用的替代行動方案，模擬並制定事件管理策略。
3）供應鏈風險管理
供應鏈中的風險管理雖然與供應鏈設計和運營管理有一定的重合，但是考慮到模擬技術在風險管理中的廣泛應用，在這裡我們單獨拿出進行詳細的討論。首先風險管理作為供應鏈管理中的重要課題，從牛鞭效應到供應鏈柔性設計，類似的風險控制問題一直以來都備受研究者重視。由於完整的供應鏈網路中風險因素眾多，其中的某一環節出現問題都有可能導致整個供應鏈的上下游出現生產停滯或庫存爆倉的情況。而模擬技術可以利用What-If測試等方法，透過不斷除錯系統引數來模擬真實情況中的各種特殊情況，並檢測供應鏈中各個企業的風險管理能力（圖1）。Wilson應用系統動力學方法來模擬運輸中斷對供應鏈績效的影響。Wu和Olson建立了一個三級供應鏈的模型，並利用具有代表性分佈的隨機模擬資料來確定供應鏈績效的期望值，並探究了供應商選擇中的風險管理問題。
圖1 某天然氣貿易公司的供應鏈模擬軟體動畫
結合虛擬現實等模擬技術，我們可以更加直觀、切身地理解供應鏈管理中的核心機制和關鍵特徵，這種動態、系統的洞察力有助於幫助管理者樹立科學的管理理念，進而提高供應鏈的效率。供應鏈各個環節都存在不同的企業，它們對供應鏈整體有不同的利益訴求和期望，所以經常會出現利益衝突的情況。透過建立統一的模擬平臺，讓供應鏈上的各個物件最直觀地瞭解到供應鏈整體的效能，並透過視覺化的數字儀表盤來將各個主體最關心的指標表現出來，這樣更有利於實現供應鏈協同。當然，在將模擬技術應用於供應鏈管理的過程中，也存在著一些困難，如供應鏈成員之間共享專有資料的問題等，但隨著資料加密技術、區塊鏈技術等數字化技術的進步，部分問題將逐漸得到解決。即使這些困難和缺陷依然存在，但是模擬技術在供應鏈管理上的應用優勢已經得到了學術界的逐漸認可，並且在業界也有非常高的接受度。
基於虛擬現實及模擬技術的
生產物流管理
正如前文所述，模擬技術可以在產品、系統的設計和配置階段就進行試驗和驗證，因此模擬技術也被廣泛地應用於製造領域，尤其是在當今數字化製造與智慧製造的背景下，人們對於虛擬現實等模擬技術在生產製造領域的應用抱有極高期望。隨著工業4。0的到來，以前大批次工業化生產的模式逐漸向多品種、少批次的模式轉變。產品定製化和個性化的要求不斷提高，這對生產物流系統的設計帶來了極大的挑戰。就在這種情況下，模擬技術的價值也更加得到重視。傳統的製造系統模擬研究更多地是模擬物料透過不同的機器和物料處理系統的變化以及物流佈局的影響。有的軟體使用隨機模型來模擬工件的加工和到達時間。這些模型對於分析機床利用率、加工時間、瓶頸工藝等具有重要意義。目前的模擬技術已經不侷限於此，還在培訓、排產計劃、產品設計、人體功效等各個方面發揮作用。
1）產品開發
從上世紀末計算機技術發展開始，很多產品設計的工作都已經直接透過計算機輔助軟體來操作，如使用3D CAD（computer aided design）模擬軟體生成原型機並進行初步的有限元分析等，但隨著計算機視覺技術的進一步發展，這些工作將會變得更加生動和逼真。在產品開發過程中，利用沉浸式或半沉浸式裝置如CAVE、HMD和BOOM等，可以提高人與人、人與機器的互動。一個被稱為DiCoDEv的模擬平臺可以簡化分散式設計專家與共享虛擬環境之間的合作。虛擬現實之前更多被定位於一種娛樂玩具而不是工具，然而現在它正在憑藉其逼真的視覺效果和協同設計的能力，被應用於工業設計領域。尤其是在航空和汽車行業，由於其需要快速開發產品，很多公司已經開始根據自己的需求與研究機構合作研究開發虛擬現實工具。如學術界有學者提出了CAD模擬和虛擬現實技術的整合框架，併成功將其應用於產品設計過程中；工業界General Motors公司和Caterpillar公司也已經將虛擬現實技術引入到設計過程，以建立車輛的數字模擬原型機。
2）生產佈局
生產佈局規劃是指製造車間內機器/裝置分配方案的設計。工廠的生產佈局設計是一項多學科、知識密集型的工作，對於現代全球競爭環境中的製造商的生存至關重要。由於客戶需求在產品數量和產品種類方面的快速變化，設計和建造新工廠佈局或重新配置當前佈局的需求已經大大增加。這就要求企業更靈活地規劃，設計和重新配置工廠佈局，以便能夠將新產品推向市場並保持其競爭優勢。使用預定義的物件，可以用3D模擬技術實現佈局模型，避免裝置和環境的重複繪製工作，並且建立的數字工廠為使用者提供了在工廠模型中移動、瀏覽、檢查和渲染動畫的能力（圖2）。在汽車生產的過程中有研究提出一種匯出裝配線設計方案並根據多個使用者定義標準的對其進行評估的方法。
圖2 某汽車零部件加工廠佈局模擬模型
3）車間物流
製造過程中的材料流動是指材料透過工廠內部的生產過程或價值流動來生產最終產品。在當今不斷變化的製造業環境中，大規模定製、全球化製造和數字化製造共同形成現在的競爭新格局，企業需要更強大的能力來更快響應市場動態和不同需求。採用最佳化的車間物流機制，結合新興技術的實施，對於提高生產和服務質量以及為客戶提供服務具有重要價值。車間物流方案的規劃過程中，我們可以基於模擬模型框架，整合場景建模技術，自動基於實際的模型佈局生成物體移動的運動路徑，並儘可能地避免與其他物體的碰撞（圖3）。另外還有研究使用Java語言開發了一套船舶修理廠物流過程的模擬模型，該模型引入關鍵業務功能與生產計劃，並可以結合排程計劃和控制演算法來支援船舶修理的現場管理。
圖3 某汽車零部件加工廠部分加工環節模擬模型
4）生產流程
生產流程指的是使用一種或多種物理機制來改變材料形狀、性質的過程。在生產流程中，加工、裝配和檢測這三個環節是目前模擬技術應用較廣泛的領域。現代產品配方、工藝和製造流程複雜，這就對加工工藝的模擬提出了更急切的需求以及更困難的挑戰。經典的有限元分析軟體可以建立模擬模型以探究航空發動機元件的各種效能指標，最新的虛擬現實技術也可以從各個維度展示並聯機床的加工過程。透過對物理原理和化學原理的高度模擬，我們可以對流程製造和離散製造加工過程中的過程引數進行建模和標註，並透過使用者友好的人機互動介面（甚至可以是逼真的視覺效果）將這些指標動態地展示出來。透過建立模擬模型，我們也可以將產品各元件之間的互動關係模擬出來，並刻畫出各元件裝配過程中的相互影響和耦合作用，同時使用最佳裝配演算法的智慧虛擬裝配系統在虛擬裝配過程中提供觸覺互動。另一個觸覺虛擬現實平臺HAMMS可以模擬元件虛擬裝配的效能，並對裝配過程進行計劃和評估，同時大部分的模擬平臺還可以被用於培訓裝配人員和維修人員。
正如前文論述，雖然物流流動是生產物流的主要目的，但只聚焦於物料流動的模擬有很大的侷限性。現在的模擬技術已經比較成熟，模擬軟體已經涉及到生產物流中的其他主要流程和環節，如管理流程模擬、資訊流模擬和人機互動模擬等。當各個領域的子模型整合在一起時，可能才能真正實現製造和物流系統的整體模擬模型，而這個概念有的學者稱之為虛擬工廠和虛擬物流，或者最近被廣泛提及的數字孿生（digital twin）概念。而虛擬現實作為一個快速發展的計算機互動技術，也已經被應用於設計到過程模擬的幾乎各個階段。虛擬現實環境為多個使用者提供了視覺化、沉浸和與虛擬原型互動的能力。既可以有效地管理知識，還能在同一個虛擬物體上進行實時協作並對其進行驗證（verification and validation），甚至是使用數字人體模擬進行人體工程學評估。
基於虛擬現實及模擬技術的
顧客需求管理
關於製造業的定義有很多，但是大部分都避不開“客戶需求”的概念。Chryssolouris就將製造定義為物料和資訊透過一系列轉化最終以滿足客戶需求的過程。但是傳統制造業受地理和技術的限制，大部分遠離顧客和受眾，最終造成與顧客需求的脫節。但隨著模擬技術，尤其是虛擬現實技術的發展，將“前臺”的客戶需求與“後臺”的產品設計、生產、製造過程打通，已經不再是天方夜譚。在過去，人們很難看到產品設計和製造過程的影象，因此在產品製造出來之前，幾乎對於產品沒有認識。但是透過虛擬現實技術的形象化模擬，顧客可以更好地理解正在製造中的產品，因此也能更加明確地提出自己的需求。最近幾年，很多零售巨頭已經嘗試將虛擬現實等模擬技術現引入到電子商務和銷售領域，如沃爾瑪公司收購虛擬現實初創公司Spatialand以發展虛擬零售；阿里巴巴推出淘寶BUY+計劃，也是為顧客提供遠端的產品體驗服務，並以此來滿足顧客的需求，正如Rohrer所說，人們通常相信自己真實看到的東西。
雖然目前在工業領域，利用虛擬現實技術來挖掘顧客需求的研究和應用並不是很多，但是可以想象，虛擬現實模擬出的結果，由於其“真實”的沉浸式體驗，可以大大增加使用者對於產品的感知度和信任度。
利用虛擬現實的資料採集硬體，結合眼動實驗、腦波實驗等分析系統，模擬平臺甚至可以直接獲取客戶對於產品的滿意度，進而對產品進行營銷評估，瞭解其對其他客戶的潛在需求。一旦這些需求被收集起來，那麼該產品在設計和製造過程中就會有針對性的定製化生產，以便將客戶之聲與產品技術指標聯絡起來，並將其轉化為零件特性、製造操作標準和生產要求，這種正向設計的思路將會給製造業帶來變革，真正實現工業4。0中所描述的以顧客為導向的製造業。