為什么說(shuō)工藝仿真技術(shù)前途無(wú)限

　　學(xué)問(wèn)做得越深，越是欣賞“一般性”的技術(shù)、理論和方法。

　　1、數(shù)學(xué)模型

　　在去年校友活動(dòng)中，勵(lì)建書(shū)院士談到微積分的意義：過(guò)去，算任何一條曲線下的面積時(shí)，需要復(fù)雜、獨(dú)特的技巧;有了微積分，就有了一般性的簡(jiǎn)單算法。其實(shí)，有了計(jì)算機(jī)，可以得到更一般的計(jì)算辦法：把曲線下面的面積劃分成很多小份，每一份近似成矩形或梯形，加起來(lái)就得到了面積。

　　從這個(gè)角度看，計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)都是偉大的技術(shù)。仿真也是了不起的方法。因?yàn)樗梢越o出一種解決問(wèn)題的一般性求解方法。

　　下面先從一個(gè)更大的視角看仿真：數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用。

　　工程問(wèn)題往往能用數(shù)學(xué)問(wèn)題描述。數(shù)學(xué)描述需要一個(gè)“模型”：根據(jù)一些影響因素(自變量取值)，能夠算出結(jié)果。模型求解問(wèn)題是類反問(wèn)題：給出人們希望的結(jié)果，尋找達(dá)到這個(gè)結(jié)果的自變量取值。方程求解和優(yōu)化都是這樣的。例如，所謂方程求解，就是尋找那些讓結(jié)果等于零的自變量取值。

　　學(xué)校里學(xué)東西，總有辦法把解直接找出來(lái)。但是，現(xiàn)實(shí)中可以直接求解的問(wèn)題卻是罕見(jiàn)的。很多人不知道這個(gè)道理。但牛頓知道。300年前，牛頓就找到了一般性的方程求解思路：先隨便給個(gè)初始的自變量，再根據(jù)計(jì)算結(jié)果修訂自變量，直到滿為止。這類辦法人算很麻煩、計(jì)算機(jī)卻不怕麻煩。所以，這成了計(jì)算機(jī)求解的一般性思想。

　　這種方法的主要問(wèn)題就是計(jì)算量太大。所以，數(shù)學(xué)家研究的算法幾乎都是用來(lái)減少計(jì)算量的。如何減少呢?本質(zhì)上是根據(jù)前面計(jì)算的“經(jīng)驗(yàn)”指導(dǎo)后面的計(jì)算。“經(jīng)驗(yàn)”可以是下降的梯度，也可以是上次計(jì)算的理想程度。還有一類算法，我戲稱為“胡懵亂湊”法。這類方法的鼻祖叫做蒙特卡洛方法：到處去試，最后找個(gè)最好的來(lái)交差。后來(lái)，有人進(jìn)行改進(jìn)：在好的地方增加試驗(yàn)次數(shù)。典型的如基因算法、模擬退火等。

　　2、仿真是什么?

　　回到開(kāi)頭：仿真是什么?仿真其實(shí)就是建立數(shù)學(xué)模型。

　　有些建模是很容易，有些模型很難。有些難的模型建模就要花10多年，有些復(fù)雜模型計(jì)算一次就要花幾天、幾十天。人們往往只把復(fù)雜困難的模型稱為仿真模型——就像只把力氣大的人稱為大力士一樣。仿真模型有很多用途。比如訓(xùn)練人員、產(chǎn)品設(shè)計(jì)等。但是，很少有人想到用復(fù)雜模型進(jìn)行生產(chǎn)控制。道理很簡(jiǎn)單：沒(méi)辦法實(shí)時(shí)計(jì)算。

　　但天無(wú)絕人之路。沒(méi)有辦法直接用，可以間接用。例如，十多年前我就做過(guò)一件事：用復(fù)雜模型計(jì)算出若干計(jì)算結(jié)果、再用這些計(jì)算結(jié)果得到簡(jiǎn)化的統(tǒng)計(jì)模型。簡(jiǎn)化模型不僅計(jì)算量小，人也容易理解，可以用來(lái)指導(dǎo)實(shí)時(shí)控制模型的開(kāi)發(fā)。

　　隨著計(jì)算機(jī)性能的增強(qiáng)，越來(lái)越多的仿真模型可以用在生產(chǎn)管控上了：試和湊就是通用的辦法。去年我給人出了兩個(gè)主意，都是用仿真模型解決實(shí)際問(wèn)題。

　　現(xiàn)實(shí)中，很多人都想不到這種辦法——因?yàn)檫@些辦法很笨，聰明人反而不會(huì)去想。而且，聰明人更多想到的是“解方程”的巧辦法，不會(huì)想到去湊和試。但在ICT技術(shù)高度發(fā)達(dá)的今天，笨辦法往往能解決過(guò)去解決不了的問(wèn)題——這就是創(chuàng)新的機(jī)會(huì)所在。

　　從大處說(shuō)：大數(shù)據(jù)、云計(jì)算給我們帶來(lái)了這樣的優(yōu)勢(shì)。有了這個(gè)優(yōu)勢(shì)，CPS才能玩得轉(zhuǎn)?？傮w上看，仿真模型的用途，未來(lái)不可限量。

　　不過(guò)，我可以斷言：無(wú)論計(jì)算機(jī)如何強(qiáng)大，計(jì)算能力總是有限的。提高計(jì)算效率是個(gè)永恒的問(wèn)題。掌握其中的技巧對(duì)創(chuàng)新是非常有利的。

　　3、仿真的弱點(diǎn)

　　下面再談一下，仿真模型弱點(diǎn)。

　　一般來(lái)說(shuō)：仿真模型總是要對(duì)邊界條件進(jìn)行假設(shè)。但現(xiàn)實(shí)中，這些邊界條件不一定能得到。所以，即便仿真模型能夠準(zhǔn)確地描述自然規(guī)律，卻不一定能對(duì)到具體對(duì)象上。打個(gè)比方，如果不知道摩擦系數(shù)，就無(wú)法計(jì)算給定作用力時(shí)物體的加速度。很多地方花了很多錢建立了仿真模型，卻沒(méi)有發(fā)揮作用，就是因?yàn)楫?dāng)初沒(méi)考慮好落地的問(wèn)題。

　　一般人的想法是：既然參數(shù)不清楚，就設(shè)法搞清吧!其實(shí)，這個(gè)思路在現(xiàn)實(shí)中不一定走得通：成本太大、困難太多，不值得?，F(xiàn)實(shí)中的做法，往往是和具體實(shí)踐相結(jié)合：先試試、再修正。這又回到了我說(shuō)的創(chuàng)新原則“先做成、后做好”。

　　工業(yè)就是需要實(shí)踐、不要總指望“畢其功于一役”。好在在大數(shù)據(jù)的前提下，這種試錯(cuò)的成本可能大大降低。同時(shí)，在互聯(lián)網(wǎng)的背景下，還可以通過(guò)共享讓知識(shí)價(jià)值倍增。這會(huì)使得“知識(shí)生產(chǎn)”的投入產(chǎn)出比發(fā)生巨大變化。

　　來(lái)源：世界先進(jìn)制造技術(shù)論壇