2012年8月5日，當造價25億美元、重達900公斤、接近小型轎車大小的“好奇號”探測車進入火星大氣層時，這個配備頂尖技術的大家伙還在以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、設計最精密的行星探測器將與火星相撞，游戲結束。

對于造價數十億美元的航天器而言，最關鍵的莫過于精確性。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，所有設備和程序不容閃失。而這一切，必須由計算機獨立完成。生死攸關的7分鐘，實則是演繹了8000次虛擬模擬之后得出的最佳方案。

“在‘好奇號’的任何一個實體部件被制造出來之前，就已經完成了全部的設計、模擬仿真和驗證過程，也就是說，在每一美元被用于實際生產之前，所有的數字化設計模擬仿真過程都已經在軟件里被實現了。”回憶起這項航天創舉，西門子PLM Software制造工程軟件業務高級副總裁Zvi Feuer依然興奮不已。西門子產品生命周期管理（PLM）軟件是“好奇號”系統開發和測試的幕后功臣，“我們的軟件能夠保證，當這個東西真的被生產以及被發射到火星上時，每一個要求的動作都能夠精確實現。” Zvi Feuer對澎湃新聞（www.kxwhcb.com）說。

如今，這套確保探測器各部件完美協作的軟件系統被廣泛應用于工業世界，執行不同操作任務的機器人被安上了“大腦”、產生“對話”，虛擬世界與真實生產空間得以實現無縫通信。

“好奇號”的幕后功臣

無論是探測車的設計、搭載的技術與裝備、擔負的任務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劃。為使探測車平穩著陸，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行數百個步驟的復雜操作，并且整個過程沒有人工干預。任何一個細節出錯，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境。負責推進“好奇號”項目的NASA噴氣推進實驗室（JPL）利用西門子的模擬軟件對火星探測器進行數字化設計、模擬和虛擬組裝，以便后續制造樣機。提到西門子，人們總是很容易聯想到德國精良的硬件設備，其實，這家工業自動化領域的巨擘本身也是工程軟件巨頭。利用模擬技術，從概念設計到詳細的部件設計，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實紅色星球的橋梁。

比如，由于“好奇號”火星車重量太大，無法使用常規的安全氣囊著陸，工程師們專門設計了“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燃火箭。因為在這種情況下，火箭將形成巨大的塵云，破壞‘好奇號’的機械裝置和儀器設備。”

于是，研究人員利用PLM軟件對“空中吊車”火箭引擎的火苗擴散情況進行了模擬，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NASA項目的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調避免碰撞，是擺在工程師面前的另一道難題。“好奇號”整套設備包含約9萬個專門制造的部件，其中很多與設計規格的容差只有100微米，這大約相當于一根頭發絲的直徑。最復雜的并非火星探測車本身，而是整個探測計劃中各個系統單元的整合。這就好比，要制造和控制單一部件并不難，但要使整個復雜系統有條不紊地運轉，難度和工作量遠遠高于單一部件的累加。

更苛刻的是，為盡量避免浪費空間，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。”NASA火星探測計劃負責人Doug McCuistion博士說，“我們采用了西門子的很多系統，來幫助我們完成這些工作。”

“鑒于每個部件涉及不同的材料，確保做到這一點的唯一方法，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。” 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境下對各種規模的裝配組合進行動態測試，比如模擬測試探測器著陸，從而計算出著陸時對整個探測器結構產生的應力。同時，采用數字模型，并配合計算機數控，可以使部件生產實現超高精度。據介紹，“好奇號”整個系統的整合，一共使用了50萬行計算機代碼，令其在極端的火星環境下全自動地進行工作。

用邏輯武裝工業機器人的大腦

看中虛擬化模型設計與仿真測試的不止NASA一家。精確、高效、降低出錯率、嚴控成本，同樣是所有制造型企業的普遍訴求，尤其對于那些數字化生產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勝于硬件的更新換代。

一個常見的情景是，同一個工位上配備多臺工業機器人，它們負責不同任務卻又要相互協作，如何確保張牙舞爪的機械臂不打架？想像一下，若要在現實物理環境下進行調試，畫面未免有些慘烈。但置于虛擬軟件環境下定義任務并進行調試，相當于事先給機器人安上了“理智的大腦”。

“機器人可以進行交流。問題的關鍵在于，如何在作出投資之前，確保機器人在正確的位置上有序地操作？” 西門子PLM Software制造工程軟件業務高級副總裁Zvi Feuer對澎湃新聞（www.kxwhcb.com）說。生產流程的順暢性、盡可能減少停機時間，對于生產者而言至關重要。

“機器人工作單元的設計中可以分成三部分，10%的重要性放在路徑規劃，10%的重要性放在虛擬調試，80%放在邏輯化編程方面。當然有好幾個機器人一起工作的時候，每個機器人其實都有一個單獨的控制器，單獨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，不同機器人之間可以避免沖突與碰撞，在有限空間內各司其職。

“對于機器人，許多人將所有注意力放在（單個）路徑規劃上。” 但若面對的是一個龐大的生產系統，這就略顯不足。Zvi Feuer對澎湃新聞（www.kxwhcb.com）說，西門子設計的所有流程都基于邏輯化編程。這不僅涉及單個機器人，還有多個單體之間的互聯，并在此技術上進行虛擬調試。

所謂虛擬調試，就是在完成設計和邏輯化編程后，運用虛擬調試驗證程序的可行性。所有這些，都是建立在高度精確的數字模型（digital twin）上實現的。有了數字模型之后，工程師就可以預測機器人在現實生產環境中是如何彼此接觸的、運動路徑如何。獲取這些數據后，再進行邏輯編程，繼而在現實中做測試，就可以防止機器人之間出現不必要的碰撞。

換言之，在數字化定義下，執行不同操作任務的機器人“知曉”彼此間的安全距離，一旦闖入對方安全區，機器人就會自行向對方發紅色警報“當心哦，我正在進入你的安全區域”，另一個機器人則會回答說“好的我知道了”。這就是發生在邏輯化編程下的情境對話。

人機協作時代的再定義

“打個招呼吧，這位是你的機器人新同事。”不久的將來，或者說就是現在，越來越多的老板會對你這么說。人機協作時代的到來，拆除了擋在人類與機器人之間的安全隔離網，使得人機得以并肩工作。機器人真的會殺人嗎？除了那些真正在生產線上與輕型協作性機器人一起工作過的工人之外，許多人似乎對機器人的安全性始終存疑。

“首先要確定人和機器人之間的安全區域，然后改進機器人的邏輯編程，讓兩者可以在自己相對安全的區域內獨立工作。第二就是傳感器，有了先進靈活的傳感器之后，在人機危險接觸之前就會進行提示。” Zvi Feuer認為，假如只是一臺協作性機器人在生產線上工作，那沒問題。若是人機混合產線，或者今天是人工產線明天又要換成人機混合產線，在邏輯編程上就要復雜得多。這種情景并不遙遠，數字化制造時代越來越強調靈活生產。

“在這種既有人類又有機器人的生產線上，很多時候機器人的一些動作或是指令，變化是很多的，不僅有安全系數的問題，也有實時修改機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，才能夠做一些實時的修改和優化。” Zvi Feuer說。

新技術的發展，正呈現出機器人領域新的可能性。Zvi Feuer認為，可視化、傳感器與機器人本身的易用性是三股重要趨勢。比如可視化技術的持續發展，可視化系統和模擬仿真結合，可以將機器人的運動流程事先在數字化平臺上呈現，以便于工程師進一步調整。等到真正投產時，機器人系統的可靠性就更大。可視化系統和傳感器結合在一起，則可以讓機器人更加精確高效。“這樣一來，我們就可以看到實時會發生什么，看到了發生什么之后，就可以快速作出決策。” Zvi Feuer說。