数字化技术基础

6.2.2　数字化技术基础

1）建模（Modeling）

建模简单地说就是建立模型。建模是对客观世界事物的一种抽象，通常是用某种形式化的方法（如图示、形式化语言等）对建模对象进行描述，以反映所要研究的客观对象的一些属性及其相互关系。建模是为了更清晰、更准确、更规范地表达客观事物的特性和关系，以方便对事物本质的研究。模型并不需要完全等同于客观事物的本身，模型可以省略与研究对象无关的一些细节，以尽可能简单而又准确地表达研究对象的本质及相互联系。

对数字化系统而言，建立系统的信息模型对系统的分析和设计是重要的一步。信息建模通常包含对象的建模和过程的建模。对象的建模如对产品对象或企业资源对象的建模，建立产品和企业资源等客观实体对象的信息模型；过程的建模如对企业业务流程或管理过程的建模，建立业务活动及在业务活动过程中信息对象的流动及其相互关系的模型。

产品建模是在计算机中建立产品的信息模型，它应能表达产品的各种属性及相互关系，以满足产品生命周期中各种数字化处理的要求。如描述产品及其零部件形状的产品几何模型、描述产品结构部件相互关系的产品拓扑结构模型、描述制造工艺的产品工艺模型等；

企业资源建模包括对企业生产相关的基本资源（如设备、组织与人力、物料等）建立模型，对于资源而言，模型不仅包含对资源各种属性及关系的描述，还要包含对资源能力的描述。

业务过程建模则是描述一系列的企业活动，这些企业活动在规定流程下，完成将企业资源通过业务活动转变为产品的过程，同时要建立这些业务过程中和业务过程之间信息间的关系和信息的流动。

2）仿真（Simulation）

仿真是对现实系统的某一层次抽象属性的模仿。通常，通过计算机系统建立研究对象的数字化模型，利用模型复现实际系统中发生的本质过程，并通过对对象模型的参数、环境等要素的变化进行模拟，获得所研究对象在变化过程中的动态结果，从而达到在虚拟环境下验证或改进所研究对象的结果。

仿真技术是一门多学科的综合性技术，它以网络技术、数据库技术、可视化技术、虚拟现实技术等数字化技术为基础，建立对实体对象或系统的模拟环境，对系统的结构、功能和行为、甚至参与系统控制的人的思维过程和行为进行动态模仿。为了达到这一目的，对研究对象的建模是十分重要的前提。通过建立某一对象和某一系统的模型（包括物理模型、数学模型等），来描述该对象或该系统，然后用一系列有目的、有条件的计算机模拟实验来刻画系统的特征，从而得出数量指标，为决策者提供有关这一对象或系统的定量分析结果，作为决策的理论依据。

3）最优化（Optimization）

最优化是在一切可能的方案中寻找最优方案的一种理论和方法。最优化技术是研究和解决如何将最优化问题表示为数学模型以及如何根据数学模型尽快求出其最优解这两大问题。

在最优化问题的解决过程中，通常首先要根据所提出的最优化问题，建立最优化问题的数学模型，确定变量，列出约束条件和目标函数。目标函数是优化目标的数学表达，约束条件是优化对象所必须满足的关系或取值范围。然后选择相应的最优化方法，确定算法，通过计算机程序求解。此外，还需要对算法的收敛性、通用性、计算效率、误差等作出评价。

对于目标函数及约束条件具有简单而明确的数学表达式的最优化问题，通常可采用解析法来解决。其求解方法是先按照函数极值的必要条件，用数学分析方法求出其解析解，然后按照充分条件或问题的实际物理意义间接地确定最优解。

对于目标函数较为复杂或无明确的数学表达式或无法用解析法求解的最优化问题，通常可采用直接法来解决。直接法的基本思想，就是用直接搜索方法经过一系列的迭代以产生点的序列，使之逐步接近到最优点。直接法常常是根据经验或实验而得到的。

对于越来越多的复杂控制对象，一方面，人们所要求的控制性能不再单纯地局限于一两个指标；另一方面，上述的优化方法，都是基于优化问题具有精确的数学模型基础之上的。但是许多实际工程问题是很难或不可能得到其精确的数学模型的。因此，智能式的优化方法得到了重视和发展。如：神经网络优化方法、遗传算法、模糊优化方法等。

4）数控（Numerical control）

数控技术是指用数字、文字和符号等离散的数字信息（数字指令）来控制一台或多台机械设备动作的技术。它用计算机按控制程序来执行对设备的控制功能，实现数字程序的控制。通常它所控制的是位置、角度、速度等机械量和与机械能量流向有关的开关量。通过对机械设备物理量的控制实现对设备动作的控制。如：数控加工机床、数控加工中心、加工机器人、数控加工流水线等。

随着数字化技术的发展，智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势。智能化如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成、自动编程、智能诊断、智能监控等；开放式是指数控系统具有开放的体系结构和开放平台，便于按照不同的需求生成满足特定要求的控制系统；网络化则是为了满足生产线、制造系统、制造企业、甚至敏捷制造方式下的虚拟企业对信息集成的需求，通过网络实现信息和制造资源的共享。

5）计算机网络（Computer network）

计算机网络是用通信线路和通信设备将分布在不同地点的多台计算机系统互相连接起来，按照共同的网络协议，共享硬件、软件和数据资源的系统。

按网络的组网范围可分为局域网LAN（Local Area Network）和广域网WAN（Wide Area Network）。局域网是指在局部范围内经网络连在一起的一组计算机及网络设施；广域网是超越地域限制的多个局域网组成的复杂网络，如互联网Internet。

一个LAN可以由一系列的子网组成，而一个WAN，例如Internet，可以由一系列的自治网络组成。LAN可以只使用以太网，而WAN却可能包括以太网、令牌环网、X.25和其他一些网络。通过网际协议（IP），可以把一个包发送到LAN的不同子网和WAN的不同网络上，但通常应遵循TCP/IP协议。

TCP/IP协议（Transfer Control Protocol/Internet Protocol）叫做传输控制/网际协议，又叫网络通信协议，它包括上百个各种功能的协议，如：远程登录、文件传输和电子邮件等，而TCP协议和IP协议是保证数据完整传输的两个基本的重要协议。通常说TCP/IP是Internet协议族，而不单单是TCP和IP协议。

TCP/IP协议的基本传输单位是数据包（Datagram）。TCP协议负责把数据分成若干个数据包，并给每个数据包加上包头；IP协议在每个包头上再加上接收端主机地址，这样数据能找到自己要去的地方。如果传输过程中出现数据丢失、数据失真等情况，TCP协议会自动要求数据重新传输，并重新组包。总之，IP协议保证数据的传输，TCP协议保证数据传输的质量。

TCP/IP协议数据的传输基于TCP/IP协议的四层结构：应用层、传输层、网络层和接口层，数据在传输时每通过一层就要在数据上加个包头，其中的数据供接收端同一层协议使用，而在接收端，每经过一层要把用过的包头去掉，这样来保证传输数据的格式完全一致。

6）数据库（Database）

简单地说，数据库是按照一定的数据组织方式（数据结构）来组织、存储和管理数据的系统。J.Martin给数据库下了一个比较完整的定义：“数据库是存储在一起的相关数据的集合，这些数据是结构化的，无有害的或不必要的冗余，并为多种应用服务；数据的存储独立于使用它的程序；对数据库插入新数据，修改和检索原有数据均能按一种公用的和可控制的方式进行。”

数据库系统是由文件系统演变发展而来，它相对于文件系统的特点是：

（1）实现数据共享。数据共享包括所有用户可同时存取数据库中的数据，也包括用户可以用各种方式通过接口使用数据库，并提供数据共享。

（2）减少数据的冗余度。同文件系统相比，由于数据库实现了数据共享，从而避免了用户各自建立应用文件。减少了大量重复数据，减少了数据冗余，维护了数据的一致性。

（3）数据的独立性。数据的独立性包括数据库中数据库的逻辑结构和应用程序相互独立，也包括数据物理结构的变化不影响数据的逻辑结构。

（4）数据实现集中控制。文件管理方式中，数据处于一种分散的状态，不同的用户或同一用户在不同处理中，其文件之间没有关系。利用数据库可对数据进行集中控制和管理，并通过数据模型表示各种数据的组织以及数据间的联系。

（5）数据一致性和可维护性，以确保数据的安全性和可靠性，主要是：

—安全性控制：以防止数据丢失、错误更新和越权使用；

—完整性控制：保证数据的正确性、有效性和相容性；

—并发控制：使在同一时间周期内，允许对数据实现多路存取，又能防止用户之间的不正常交互作用；

—故障的发现和恢复：由数据库管理系统提供一套方法，可及时发现故障和修复故障，从而防止数据被破坏。

7）编码（Coding）

在数字化系统中，信息是对现实世界客观实体的表述，并通过代码对这些信息对象进行标识。编码技术是研究对信息对象进行分类归并，并建立信息代码体系的方法，它是数字化技术中的一项重要的基础技术。

编码的过程是规范信息的一项基础性工作。在船舶设计建造过程中，把具有某种共同属性或特征的信息归并在一起，与不具有这类共同属性和特征的信息区别开来。根据信息的分类对信息进行编码，就可以根据信息的代码来判断信息与所代表的客观事物的特征，如结构特性、工艺特性和使用特性等。这样不仅可以方便对信息对象的识别，而且可以大大简化信息处理的算法，有效地提高系统的处理效率。更重要的是通过对信息的分类，建立合理的分类体系，为人们科学地管理信息和使用信息提供方便。