FMU/FMI是用于機電一體化設計的最新標準與接口，對于正向設計而言，它會對于復雜的系統設計帶來很大的便利，雖然它最初來源于汽車這樣的復雜設計，但同樣可以被其它領域所采用。

 

一、FMU/FMI背景與基本概念

1.1FMU/FMI背景

在汽車工業、航空、機電裝備等領域都會存在著不同的應用、建模系統，用于解決不同的問題，為了仿真整個系統，往往需要在不同的仿真程序之間進行交互，而且系統的集成必須將來自不同供應商的仿真環境協同工作才能完整的調試，這產生了模型交互的需求，但卻沒有標準化的接口，因此為了解決這個問題，開發了FMU/FMI。

工具獨立的標準用于支持動態模型的交互以及聯合仿真，用于解決汽車工業中模型互操作問題，最初是由歐盟資助的Modelisar項目，由戴姆勒公司承擔該項目，而第一個版本是在2010年發布，改善的版本在2014年發布，由Modelica協會積極的主持開發。

圖1-支持FMU/FMI的Modelica協會會員分布在歐洲的主要建模軟件企業

 

1.2FMU/FMI基本概念與功能

1.2.1FMI是什么？

功能打樣接口（FMI）是一個工具獨立的標準，通過XML文件與編譯的C代碼的融合來支持動態模型的交互和聯合調試.

圖2-FMI的描述結構

圖所示的就是FMI的XML格式描述文件。

1.2.2FMU

FUM是一個壓縮文件（*.fmu）包含了XML格式接口數據描述和功能（采用C代碼或二進制實現）；

所謂的FMU就是采用FMI接口而開發的軟件組件。

 

FMU主要干兩件事情：

 

圖3-模型交互與協同仿真是FMU/FMI的主要目的

 

（1）FMI用于模型交互

其意圖是建模環境可以以輸入/輸出模塊形式生成一個動態系統模型的C代碼，可以被其他建模和仿真環境使用。模型（沒有求解器）用微分，代數和離散方程來描述，包括時間，狀態和速度。

（2）FMI用于協同仿真:

目的是在協同仿真環境中將兩個或更多模型與解算器耦合。子系統之間的數據交換僅限于離散通信點。 在兩個通信點之間的時間內，子系統通過各自的解算器彼此獨立解決。主算法控制子系統之間的數據交換和所有從模擬求解器的同步。該接口允許標準以及高級主算法，例如可變通信步長的使用，更高階信號外推和錯誤控制。

二、FMU/FMI實現過程

在2016年貝加萊即投入在FMU/FMI接口的研發，由于之前在2008年貝加萊即推出MATLAB/Simulink的接口導入，即，貝加萊的Automation Studio作為一個控制系統的集成開發平臺，與建模仿真的MATLAB/Simulink進行了接口的開發，包括MapSim-來自Maple公司的建模仿真軟件，因此，貝加萊可以支持與他們相關的FMU，如圖，在建模仿真平臺如MapleSim上生成的FMU就可以被Automation Studio導入。

2.1基于建模仿真軟件的導出FMU

圖4-采用MapSim建模軟件進行模型構建

 

在其軟件中會有FMU Component Code Deneration這樣的工具，即可生成FMU模塊

 

圖5-MATLAB/Simulink針對FMU的過程

對于MATLAB/Simulink也是同樣如此，其FMI Target for Simulink? Coder?用于實現FMU的生成，這樣的FMU就可以為Automation Studio所導入。

圖6-實現FMU/FMI的過程

 

對于客戶而言，其基于建模仿真軟件所開發的模型或算法，可以導出FMU的方式形成一個ZIP文件，包括了XML的描述與代碼文件兩個部分，然后導入到Automation Studio中。

 

圖7-FMU/FMI對快速原型的支持

2.2基于3D建模的導出仿真

對于機電一體化對象的開發而言，如果可以對機械的三維模型直接導入到MapleSIM即可實現便捷的對象快速建模，并直接仿真其控制工藝，生成FMU在直接到控制器來實現硬件在環測試，這樣就可以節省整個測試驗證的過程。

圖8-3D建模到控制器FMU的導出

圖9--MapleSimFMI流程

 

三、FMU/FMI與數字孿生

 

那么，我們就可以理解Digital Twin是為了解決客戶的問題，而采用的一種解決問題的方法系統，那么，在過去有各種CAD/CAE/CAM/CAPP等軟件，本身就是在完成Digital Twin的事情，而今天面對數字時代，需要更多的軟件的協同開發，那么，就會需要按照數字時代而統一命名為“Digital Twin”。

 

圖10-DigitalTwin在智能制造中的角色扮演

Digital Twin就像陽明所說的“知行合一”，“知”可以被理解為虛擬世界，而“行”可以被理解為物理世界，陽明先生說“知之真切篤實處即為行，行之明覺精察處即為知”，也就是說，理論指導實踐，實踐反饋又來優化理論，兩者之間為一體，均服務于“致良知”—你可以理解為這個良知，即為“本心”—創新的源頭，是為了解決客戶的問題。