仿真技术：为中国智能制造提供新动力

陈云天

如果说计算物理是人类研究物理的新范式,帮助人们探索知识的边界,是引领物理前沿发展的一把利器。那么仿真技术则是基于对物理、经济或生物系统等的认知/统计模型和计算机技术,建立数学模型来模拟现实世界的物理过程, 通过精确模拟现实世界的复杂过程进而实现对研究对象的设计优化、风险评估、决策支持等。

因此,仿真技术无需实际构建或实验即可预测和验证各种假设和策略,这不仅大幅降低了研究和开发的成本,也显着提高了效率和安全性。与传统的试错方法相比,仿真提供了一种效率更高、成本更低、风险更小的方案。在工程设计、产品开发及系统分析中发挥了巨大作用。

例如,在航空工业中,通过仿真测试飞机模型的气动特性和结构强度,工程师能在实际制造之前识别潜在的设计问题。此外,在药物开发领域,借助仿真模型,科学家可以模拟药物与生物体内目标分子的相互作用,从而筛选出有效成分,加速新药的研发过程。仿真还在灾害管理和应急响应计划中扮演了重要角色。通过建立地震、洪水或其他自然灾害的仿真模型,决策者能够评估各种预防措施的效果,制定更有效的应对策略。此外,仿真技术也广泛应用于金融领域,帮助分析和预测市场趋势,为投资决策提供科学依据。

对于现代制造业来说,随着工业4.0时代的到来,在技术革命、工业革命、数字化以及信息化浪潮的推动下,制造业从单件生成到流水线生产,再到柔性生产,最后发展到智能制造。仿真技术作为智能制造领域中的核心,是驱动工业技术迭代升级的推手,在产品优化和创新中扮演者不可或缺的角色,是制造业打破低端困局、加快融合智能制造步伐的重要手段。的确如此,在工业产品实物化前,利用仿真技术可以对设计思想、产品潜在性能、使用效能和适应性等方方面面进行研究和评估,从而极大地减少了研制风险和周期,降低研制产品成本。目前,仿真技术成为任何复杂系统,特别是高科技领域不可替代的分析、研究、设计、评价、决策、训练的重要手段,更是中国从制造业大国向制造业强国转变的重要技术手段。

以应用广泛的战略高技术产业“光电子信息产业”为例,光电领域的科技创新的核心竞争力来源于能够提供低成本的光电仿真技术的工业软件以及充分掌握仿真工具的高科技人才,利用仿真工具实现产品的设计优化,充分发挥我国制造业大国的优势,为光电企业降本增效,提高良品率和产品附加值。

面对核心工业软件的科技封锁,为实现光电领域的科技创新与突破,需要结合我国产业的实际需求,一方面需要加强基础研究,加快波动光学仿真、几何光学仿真工具的国产化和商业化,借助人工智能实现人、工业生产及工业数据的紧耦合,打造我国光电产业的数据底座,驱动光电技术的迭代升级和高质量发展。

另外一方面,顺应极端制造、智能芯片、自动驾驶及先进显示等未来光电仿真技术的发展趋势,跨尺度光学仿真技术将在计算光刻技术、晶圆检测、激光雷达、AR/VR等多种应用场景中都将发挥基础性作用。积极布局并发展融合了几何光学仿真和波动光学仿真的跨尺度仿真技术,突破几何光学快而不准和波动光学准而不快的技术瓶颈。对跨尺度光学仿真技术的深入研究有机会突破西方的技术壁垒,有望带动光电子产业的率先突破。

在光电子信息产业、芯片等战略高技术领域,仿真技术的应用不仅是产业创新能力的关键,也直接提升了产业的国际竞争力。仿真技术的广泛运用大幅缩短了设计周期并提高了创新效率。此外,它在节约成本、减少资源消耗、提升产品性能和质量方面发挥着重要作用。针对具体产业需求开发的专业化仿真工具和系统,将进一步推动技术进步和科技创新,为中国光电产业的技术创新和发展提供新的驱动力。