超级计算机在智能制造装备中的应用

何庆平，杨 猛，丘邦超，陈振城

（广州明珞汽车装备有限公司，广州 510535）

0 引言

随着工业4.0时代的到来，新科技革命的发展和市场需求的转变，以及信息技术、新能源技术、新型材料及生物技术等纷纷渗透到制造行业，装备工业已由低端扩展型发展转变为高端创新型发展，转型升级已经成为必然要求和大势所趋[1]。依据我国制造业转型升级和跨越发展的整体部署，其核心内容就是将实施智能制造（Intelligent Manufacturing，IM）作为产业转型升级的主攻方向，智能制造已成为我国以装备工业为代表的制造业转型升级的重要手段和必然选择。转型升级就意味着对智能制造装备的高适应性、高速、高精度、智能化作业等需求，利用先进的传感技术、自动化技术、网络技术、智能技术等，通过人机交互、决策、执行以及智能感知，实现装备设计、制造及产品的智能化、智能技术与信息技术的集成和深入融合，而伴随着智能和信息技术的深入融合，势必会带来大量技术数据的分析、存储和传输的难题。而超级计算机（超算）及应用平台具有高性能和并行计算、应用广兼顾云计算、易编程性和性价比高等优势，为装备企业智能制造带来了契机。

1 超算优势

超算具有每秒千万亿次以上浮点运算能力、高效可信的系统、海量存储、系统容错等关键技术，从学科角度来讲最主要特点是在实验不可行或仅有少量实验支持的情况下，立足于基本原理，经精细计算，通过验证与确认，最终达到可信“预知预报”的目的。超算具有一些前所未有的特性。（1）物理学特点：高分辨率、多尺度和多物理场。（2）海量并行计算。（3）高可扩展性：具有国外商用计算机辅助工程（Computer Aided Engineering，CAE）软件的可发展性。（4）必须容错[2]。因而造就了其几大优势：（1）高性能，峰值速度和持续速度都是个人电脑和工作站无法比拟；（2）应用广，主打科学工程计算，兼顾云计算；（3）易使用，创新发展了异构融合体系结构，提高了软件兼容性和易编程性；（4）性价比高。这些优势都是超级计算机面向智能制造装备企业的契合点，可为装备企业智能制造转型升级提供重要支撑。

2 装备企业智能制造

智能制造在我国经历了工业驱动信息化，两化融合时期到现今的工业智能化时期。装备制造企业大都通过计算机模拟和人工智能手段跨学科相互渗透应用于企业生产活动中。其主要表现在产品设计、生产管理、智能处理、智能物流、智能装配、智能人机交互等，通过智能装备的整合和生产活动构建新的制造模式[3]。故现阶段实现智能制造是装备企业的核心竞争力，以明珞装备企业在实现智能制造过程为例，智能制造服务能力主要体现在以下几个方面，如图1所示。

（1）成熟完善的产品体系。基于“为客户创造价值”为核心的理论，聚焦产品和集成，不断的完善管理和业务流程及水平，增强自身数字化能力，打造完善的从方案到装备，从硬件到软件，从数据到平台的产品群，建立标准化、产品化的支撑体系，促进全球协同创新研发。

（2）高效创新的生产方式。装备企业实现管理透明化和生产制造的数字化，建成全球第一条非标工装、电柜智能柔性装配线，流水作业可以提升组装效率5倍以上。其次，拥有自动化的高效设计和全球领先的虚拟制造经验，提升设计效率高达50倍，实现了高可靠性的设计质量。此外，全球领先的虚拟调试专家团队缩短了20%～30%的项目周期和35%的调试时间。

（3）智能的大数据服务。智能大数据服务平台对生产线、设备、部件的运营效率、可靠性、健康状态等进行分析评估，并帮助客户优化规划、研发设计、运维、质量等体系。

图1 装备企业在智能制造的3个方面

明珞装备企业智能制造服务3方面的业务中，其一标准化业务流程与设备，使标准化线体解决方案和标准产品与部件能应用在较复杂的生产线系统中，得益于方案和产品的设计中利用CAE分析计算，能够有效获得最优化的设计方案，减少测试；其二数字化软件与数据平台，在工程设计开发的自动化设计软件，是基于大量标准化零部件的数据库技术，以及数据平台采集生产线系统中装备全生命周期内的大数据；其三创造价值和降本增效的服务主要立足于智能预防性维护。以上3个方面表现了智能制造装备的设计、运营和维修对CAE高性能计算、大数据时效高和分析处理能力的需求。而超级计算机特性造就的几大优势，可能会使得超算在明珞装备企业智能制造的3个方面中起到核心作用，如图2所示，能够让设计、运营和维修的价值环更加可靠。

3 CAE计算中超算应用

CAE是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。CAE应用程序基本可以分成2大类，一类是共享内存应用程序，另一类是分布式内存应用程序。其主要有3个步骤：第一步是建模亦即前处理，通常在工作站上进行；第二步是求解过程，这是至关重要的一步，需要占用大量的处理器、内存资源以及存储空间，通常在高性能计算机上完成，这个过程涉及到的软件有Fluent、ANSYS、Nastran、Ls-Dyna等；第三步是后处理过程，对计算结果进行处理分析，通常也是在工作站上完成[4-6]。

装备企业会涉及车身的流线型流体仿真、复杂庞大的装备系统模型、装备的刚柔耦合运动解析和车身的碰撞仿真等。而智能制造对以上CAE计算提出高分辨率、系统性整体建模等要求，需要将模型建立的更加精细，为准确捕捉各种工况的热点，特别是疲劳计算问题，会建立每一处的单元密度很高的精细模型，复杂产品千百个零件之间的接触关系及非线性求解等。这些复杂模型的求解过程，会进行成千上次的迭代结果，势必要求计算机有大内存即时容量和庞大的存储空间。在CAE计算求解速度方面，过去，计算机提高速度的方法主要靠提高处理器的时钟速度；而今，处理器的时钟速度已经接近极限，计算机性能提高的唯一通道是发展多核计算机。分布式并行可以明显减少计算时间，使得大型问题的求解得以松绑。因此，CAE计算的核心内容是高性能计算，这正是超级计算机所具有的巨大优势，故而装备企业在智能制造中的CAE计算能够应用超算，会使得企业取得转型升级的成果事半功倍。

图2 超算在智能制造中的核心作用

4 超算应用于大数据

大数据就是大量数据的集合，具有4V特征，一是数据量大（Volume）；二是数据类型繁多（Variety），各种类型的装备状态信息，多类型的数据对数据的处理能力的更高的要求；三是数据价值密度相对较低（Value）；四是处理速度快（Velocity），时效性要求高[7]。这些是大数据区分于传统数据挖掘最显著的特征，主要用于采取、存取并分析来源分散、数量庞大且格式多样的数据，深入挖掘其中的新知识，从而创造出全新的价值。

明珞装备以数字化为基础，建立软件和数据平台。其中的自动化设计软件基于大量标准化零部件的数据库技术，包含大量的基础零件的尺寸、形状、颜色、参数化和装配关系等信息，以及数据平台采集生产线系统中装备全生命周期内的大数据，需要实时采集系统中每个零部件的运行状态、运行相对位置关系、运行周期和循环等等，同时数据平台还记录各个零部件产品在制造和装配阶段的广泛信息。但是，现有的技术架构和路线，已经无法高效处理如此海量的数据，而对于企业来说，如果投入巨大采集的信息无法通过及时处理反馈有效信息，那将得不偿失。可以说，大数据时代对人类的数据驾驭能力提出了新的挑战，也为人们获得更为深刻、全面的洞察能力提供了前所未有的空间与潜力。超算及应用平台的开发，具有巨大高性能计算优势，主打工程科学领域，兼顾云计算，可以高效处理海量数据，并能及时反馈和分析数据，势必会助力装备企业在大数据里创造出更多更大的价值。

5 预防性维护对超算需求

在工业自动化生产领域，随着生产方式日益精益化，对设备的高可靠性要求日益提高，企业在满足其产能的前提下，要求实现生产管理的高有效性、可靠性及低生产风险性。而设备故障的意外发生，会增加企业的设备维护支出，且设备故障造成的计划外停机也会造成生产及与生产相关的一系列损失，使企业蒙受巨大损失。为了降低故障带来的损失，装备企业开始从传统的事后维护方式，逐渐过渡到预防性维护方式，即通过设置固定的时间间隔，定期停机进行大规模的点检及维护工作，确保设备在下次维护前能够正常运行，以减少或避免出现意外停机，该方式具有实施方便、可操作性强和管理简单等优点[8]。但因是基于时间的死板固定点检和维护，忽略了设备本身的实际需求，容易造成部分维护的过剩，同时对设备故障的预见性也较弱。

随着物联网、大数据、云计算、机器学习与传感器等技术的成熟，预测性维护技术成为可能，利用先进的状态监测设备来监控设备的运行动态，综合运用信号处理、机器学习等手段来发现潜在的故障问题，从而制定更加合理有效的预防性维护计划。其关键研究点在于利用监测数据对设备状态进行预测，包括剩余使用寿命、故障、衰退过程等方面的预测，已成为目前研究的热点。明珞装备企业开展的预防性维护项目将利用人工智能、大数据分析等手段，开发出一套基于人工智能技术对设备进行故障预测，从而实现精准的预测性维护的系统。

不难看出，预防性维护同样也是基于装备系统各个零部件生产制造和运行中海量的基础数据，同时加入人工智能对各个零部件状态的实时数据分析，并与海量基础信息的智能化差异性提起，实时反馈生产线装备的维修状态，提前预判，避免损失。因超算所具有的巨大的并行计算能力和高扩展性、易编程使用性和高性价比等特点，使装备企业能够应对海量的大数据硬件和软件难题，能够立足于大数据的创新价值，有效的应用在生产装备线上，开展装备的预防性维护，将带来更显著的收益。

6 结束语

工业转型升级对装备制造企业的更高需求，而每个企业在新时代下也都时刻准备迎接着新的挑战。装备企业大多都抓住了智能制造赋予的新的变化，利用现有新的科技的发展，耕耘于高性能计算和大数据所带来的沃土。超级计算机作为国之重器，为装备企业的耕耘创造了更广阔的天空。但是超算在装备企业的深入应用，肯定会遇到超算平台等应用局限，相信随着装备企业应用超算，挑战所带来的机遇和价值值得期待。