如果错误直到测试台甚至实地测试时才被发现，通常会带来不可预估的后果。复杂机床的制造商，例如车辆或农业机械制造领域，也经常面临这一挑战。工业集团Sandvik也是如此：为了在机床的进一步开发中更早地识别集成风险并使开发流程更高效，那里越来越多地在研发（R&D）部门部署仿真系统。开发和测试步骤因此已经可以在虚拟环境中进行，在建造真实原型之前。

这一例子揭示了许多复杂机床制造商面临的一个根本问题：如果错误仅在晚期测试阶段才被发现，开发计划会动摇，测试能力被占用，额外的迭代循环耗费时间和资源。特别是在机电一体化系统中，这样的晚期发现可能使开发项目延迟数周甚至数月。

图1  仿真系统的建设可能成本高昂，但它提前降低了风险，并为产品生命周期后续阶段中的模型奠定了基础

仿真在此提供了一种方法，将开发和验证过程明显提前到开发周期中。系统、功能和组件可以在研发阶段就进行虚拟测试，远在第一批原型或真实测试装置可用之前。

将验证前移至开发流程早期

现代仿真环境能够对广泛的技术系统进行数字化建模。行驶行为、传感器、控制功能或单个组件可以被建模并相互组合。借助自动化测试场景，开发人员可以模拟不同的运行状态和变体，并针对性地分析系统行为。

决定性优势：问题更早被发现。集成可以提前检验其适用性，变体可以更快评估，系统边界可以系统地探究。风险由此被降低，甚至早在车辆或机床的原型建造之前。

虚拟环境中的测试可以无限次重复和自动化。这不仅提高了开发效率，也提升了产品生命周期中的测试覆盖率。

仿真并不一定是可视化3D

仿真器的建设远不止是一次性的开发项目。在实践中，仿真由各种模型的组合形成，这些模型描绘单个组件、物理特性和系统行为。传感器、执行器、控制逻辑或机械特性被描述为数学或物理模型，并通过定义的接口相互耦合。这样逐步形成了真实系统的虚拟映射，可以在其中以接近现实的方式研究组件之间的交互。

图2 行驶行为或控制功能也可以在仿真环境中建模，并在测试场景中模拟

重要的是：仿真并不一定意味着可视化3D世界。虽然图形环境在某些应用场景中是有意义的，例如展示行驶环境或操作流程，但大部分技术仿真发生在模型层面。在此计算系统行为、信号和物理交互，无需复杂的可视化。然而，所需组件的模型并非总是从一开始就可用。在这种情况下，它们通常基于真实测量数据构建：通过对现有系统的测试获取测量值，从中随后导出模型并逐步逼近。另一种方式是使用现有或标准化的模型，并根据特定要求进行适配。两种方法都能提供精确的结果，在开发中可以被视为真实的行为特征。

图3  仿真并不一定是可视化3D模型。有时仅计算物理交互就够了

仿真是数字产品生命周期的组成部分

组件、系统和环境的建模因此往往是数字产品生命周期的起点。由此产生的模型不仅在开发期间被使用，在产品生命周期的后续阶段也发挥作用。开发部门可以更快地评估变体，而服务或运营部门则利用仿真提前测试更新、维护场景或系统调整。

在许多企业中，这些模型还构成了机器或设备数字孪生的基础。对软件、控制逻辑或组件的更改可以先进行虚拟验证，然后再传输到真实系统中。仿真由此成为一种长期开发平台，支持持续的产品改进和更快的创新周期。

仿真开发和测试方法的范围在过去几年中显著扩展。例如，在开发流程早期就已经采用软件在环（SIL）方法，其中控制软件在虚拟环境中被测试。在此基础上，硬件在环（HIL）系统可以将真实控制器或组件集成到仿真系统环境中。虚拟调试则更进一步：这里在物理建造之前就对完整机器或设备的行为进行数字化建模。系统组件之间的通信例如通过虚拟CAN网络进行，从而可以以接近现实的方式再现真实机器的行为。这些方法允许逐步数字化开发和测试流程，并及早识别风险。

尽管潜力巨大，仿真的应用并非自动成功。仿真器的建设和维护需要扎实的数据基础以及企业内相应的专业知识。不同工具和仿真平台的集成也可能构成挑战。数据质量和一致的接口至关重要，以确保仿真结果能被可靠解读。因此，企业不仅需要投资基础设施，还需要投资基于模型的开发和虚拟测试方面的能力和流程。

实践案例：R&D开发中的仿真系统

仿真的具体应用方式，可以通过与Sandvik在R&D仿真系统开发方面的合作来展示。目标是将开发和测试流程更多地转移到虚拟环境中，从而及早降低集成风险。此外，所有仿真系统也用于员工培训目的，例如这里对机器操作的强制性培训。

通过使用相应的仿真系统，可以在物理原型出现之前测试不同的系统配置。开发人员可以验证控制逻辑、分析传感器行为并以可再现的方式研究复杂场景。此类虚拟测试有助于缩短开发周期，并在早期阶段确保复杂系统的稳健性。

更高效率和更稳健的产品

对企业而言，系统性地使用仿真带来多项优势：

●  提高测试覆盖率

●  缩短开发时间和投产阶段

●  评估更加有据可依

●  降低集成新技术风险

●  更稳健的产品

●  更稳定的开发流程

随着数字化程度的不断提高和机床日益复杂，虚拟开发和测试方法的重要性将进一步上升。未来仿真将与数字孪生、云端测试平台和自动化开发流程更紧密结合，从而成为决定性的竞争优势。