媒体报道

数字化时代的正向研制

23/04/2021 田锋 字号:

本文首先针对中国新工业体系建设过程中遇到的若干问题,指出了正向设计和数字化的重要性,然后就这若干问题提出数字化时代的正向研制体系,并将这个体系的三个核心体系——工业软件、增材制造以及工业互联——进行了综述性说明,最后,对这三个核心体系总结归纳而成的数字孪生体系进行了讨论。


综 述


“数字化时代的正向研制”体系是针对中国新工业体系建设中遇到的若干问题展开的研究成果而形成的技术体系的总结。这些问题包括:


•    正向设计思维缺失,系统化方法和支撑技术缺乏;

•    工业软件无序,没有以正向设计为导向实施应用;

•    设计制造割裂,旧研制模式成为正向设计的制约;

•    数字化研制技术应用范围有限,未广泛赋能工业;

•    数字化技术丰富但分散,没有形成聚合赋能力量。


总结来说,这些问题包括两个关键词,第一个词是“正向设计”,第二个词是“数字化”。


之所以关注“正向设计”,是因为我们注意到,中国工业长期的跟踪仿制所遗留下一个严重后遗症,那就是中国工业在转型升级过程中,一直缺乏正向设计思维,也缺少系统化的方法和完整的工具体系来支撑。这导致我们的工业软件的应用是无序的,没有以正向设计为导向来加以应用,所以工业软件对正向设计的促进作用没显现出来。另外,设计与制造的割裂导致的问题,旧制造体系,特别是减材制造方式,加剧了对正向设计的制约,在我们从逆向工程向正向设计的突破努力过程中有意无意地拖了后腿。


两个关键词中的另一个是“数字化”。现在,虽然数字化技术已经发展到较高的程度,但在中国工业体系中只有少数大型企业得到一定应用,没有在更为广泛的企业,特别是中小企业没有得到普遍应用。另外,数字化技术越来越丰富,但弊端是供应商越来越多,技术越来越分散,没有形成聚合方式来为企业赋能,所以企业并没在数字化技术丰富的过程中获得相应的好处。


图1.   数字化时代的正向研制体系


“数字化时代的正向研制”体系从三个相关分体系入手,来试图在一定程度上解决这些问题。这三个分体系分别是工业软件、增材制造和工业互联。围绕“正向设计”和“数字化”这两个关键词,每个分体系都具有不同的价值。譬如工业软件的价值是“支撑正向设计的数字化研发”,增材制造的价值是“基于正向设计的数字化制造”,而工业互联网则是“面向服务经济的数字化赋能”。这三个分体系通过一个综合体系将他们聚合起来可产生综合价值,那就是数字孪生体系,产生的综合价值是“打造虚实共智的数字化业态”。


这四个分体系还有各自的子体系,譬如工业软件体系包含技术创新、工业仿真和精益研发子体系,增材制造包括正向设计、高端装备和新工业品子体系,工业互联包括仿真生态、知识生态和增材生态子体系,数字孪生则包括孪生工业、孪生城市和孪生战场子体系。


工业软件——
支撑正向设计的数字化研发


工业软件体系包含三个子体系:设计创新、工业仿真和精益研发。这三个子体系与正向设计都有直接关系:设计创新是正向设计价值的倍增器,工业仿真则是正向设计的驱动体系,精益研发则是正向设计的保障体系。所以,我们将工业软件体系称为“支撑正向设计的数字化研发”。


正向设计


正向设计是针对逆向工程来说的。如果一款产品是正向设计的,那么它的研发过程将是一个完整的V模型。这个模型有两个特点,一个是设计起点比较高,从“涉众需求”开始,走完一个完整的“V”字。另一个特点是两边对称,右边出问题了,到左边相应的位置找到解决方案。而逆向工程是一个跟踪仿制的模型,不是一个完整的V模型,一般会缺少V字左边的三个重要的子过程,使得设计入手点就比较低,一般是从“物理设计”入手。由于两边不对称,所以右边出现问题的时候在左边找不到对应的过程,因而也无法彻底解决问题。逆向工程由于缺少的三个重要子过程分别是需求、架构和系统设计过程,所以很难对产品进行大幅度创新。因此,只有正向设计体系才为我们提供架构性和颠覆性创新,最高超的仿制也只能产生最好的二流产品。


图2 正向设计与逆向工程


设计创新


正向设计虽然提供了架构性和颠覆性创新的基础,但在整个正向设计过程中,有许多环节需要具体的创新措施来落地,譬如架构创新、局部创新、工艺创新及集成创新等等。而设计创新方法论则提供了在整个研发周期的创新闭环。


设计创新体系是来自前苏联的一套体系,称为TRIZ,是一套完整的技术创新方法论。据说这套体系是前苏联与美国进行科技竞赛的秘密武器,当时因为这套体系的支撑,使得前苏联的工业创新速度和高度并不输于美国。TRIZ体系的中心思想是“创新是有规律可循的,并是灵光一现的产物”。也就是说,按照创新规律,任何人都可以创新,所以创新并不是聪明人的专利。我们以TRIZ体系为核心进行的扩展性研究,并进行了工具软件的开发,形成了一系列“计算机辅助创新”软件。


图3 设计创新方法论提供了在整个研发周期的创新闭环


工业仿真


工业仿真的本质是对正向设计的确认。在正向设计模型中,V的左半边是设计过程,右半边实际上是对左半边的确认,这种确认是基于实物的确认。但在正向设计的前期并没有实物样机产生,所以对设计的确认只能在计算机中虚拟进行,所以正向设计每完成一个子过程,就会有一次仿真过程,这样会形成一个多V模型。对仿真有一定程度的了解的人都觉得仿真的类型好丰富,构成好复杂,其实,从正向设计模型来解读时,你会发现仿真的类型其实是比较有限的,是对正向设计的不同子过程的确认类型决定了仿真的类型,包括指标分析、功能分析、系统仿真、物理仿真、制造仿真等。多V模式让我们得到一个形象的结论:仿真是正向设计的核心,这个结论从实践上也证明是如此。


图4 工业仿真的本质是对正向设计的确认


这个结论的另一个表述方式是仿真驱动研发,或者说仿真驱动产品正向设计。图5的下半部分表示了1990年代的产品设计模式,那是试验驱动产品设计的时代。当时仿真技术和软件还很弱,只能对物理试验发现的问题进行分析,所以无法真正驱动产品设计。图5的上半部分则代表了当今世界的产品研发模式,称为“仿真驱动产品设计”。在这个模式中,产品概念一旦产生,并不需要进行物理样机的制造和试验,只需要在计算机中对关键参数进行验证和优化。经过多轮迭代,直到满意为止,然后才进行详细设计。很多情况下都不需要进行物理实验,直接就制造和大批量生产。这就是仿真体系所带来的巨大价值。可以说,因为仿真技术的进步,使得产品正向设计才能真正顺利实现。


图5 仿真驱动正向设计


精益研发


工业软件体系的第三个子体系是精益研发,这个体系其实是对正向设计体系进行多个扩展后,最终形成的一个复杂研发模型。这个模型中除了正向设计的V模型和仿真核心之外,还有管理、资源、协同和共享等子体系,我们把这个完整模型称为精益研发理想模型。模型中的其他体系其实本质上都是为正向设计保驾护航的,正向设计既是精益研发的核心,又是精益研发的保障对象。作为一个复杂体系,精益研发体系还可以细分成多个子体系,譬如需求工程、综合仿真、系统设计、软件工程、知识工程、流程管理、项目管理、虚拟试验、质量管理、数字制造、产品平台、智能协同、资源共享等等。


图6 精益研发为正向设计保驾护航


增材制造——
基于正向设计的数字化制造


增材制造分体系包括三个子体系,分别是正向设计、高端装备和新工业品。我们把正向设计定义为增材制造体系中的一个子体系,是因为增材制造绝不仅仅是提供了一种新的制造方式,而是提供了一种突破传统工业体系的赋能技术,特别是对产品设计具有巨大影响,从而释放工业品的无限创新潜力,让全新型工业品的产生具有无限空间。


增材设计


围绕正向设计,工业软件和增材制造之间具有一种奇妙的哲学关系。以正向设计为核心和主线,工业软件通过支撑正向设计,在全生命周期支撑增材制造过程的完成。在数字化的世界里,研发和制造不是先后串行和跟随序贯关系,数字化研发和数字化制造之间是一种相生相长、生生不息的特征,两者之间在任何时候都是相辅相成、相互输送价值的过程。


图7 工业软件、正向设计和增材制造之间相生相长、生生不息的辩证关系


这种哲学关系的存在,是因为正向设计与增材制造之间本身就也存在一种相互促进的辩证关系。首先,正向设计所提供的架构性创新彻底释放了增材制造的价值,因为优化和创新到极致的设计,其结构往往也是复杂至极的,而不怕复杂正是增材制造的优势所在。用增材制造技术加工传统产品完全是一种浪费,不仅不能反映增材制造这样一个颠覆式技术的优势,反倒会给人一种多此一举的负面影响,让人们看到的完全是这种技术在速度和成本上的劣势。所以离开了正向设计的增材制造就像鸟儿折去了翅膀。


反过来讲,增材制造打通了正向设计的传统瓶颈。在过去,正向设计如果想顺利走完全程,一直都忌惮于一个关键过程,那就是工艺和制造过程。这个过程可能会对一个正向设计所产生的创新方案一票否决,理由就是你的产品是很创新,但我制造不出来。这往往会给设计人员一种怀才不遇的感觉。但是在增材制造时代,也就是数字化制造时代,不怕复杂,不论设计多么创新和复杂,都能制造出来。增材制造实际上赋予了正向设计无限自由,只需要从需求和功能出发来进行产品设计,而不需要考虑制造的约束,完全可以放飞自我,进行颠覆式创新。因此,增材制造相当于让正向设计如虎添翼。


在增材正向设计中,有一些特别之处。第一项特别之处是创成式设计。这种设计方法完全不同于传统的设计方法,使用的工具软件也不是传统的CAD软件。创成式设计方法完全发挥算法和人工智能的长处,不需要人做过多干预,也不希望人做干预,因为人的思维定式缺陷可能会妨碍设计创新。我们只需要提供必要的设计限制,其余的完全交给算法来创造。这种新型的设计方法虽然不能替代正向设计和创新,但它是对人们大脑和眼界给予大幅度扩展。


图8 增材正向设计中的特别要素


增材正向设计的第二项特别之处是多尺度仿真。仿真本身是正向设计中很正常的要求,特别是对于增材制造所提供的无限创新空间来说,设计本身是没有规范和标准的,因此仿真便成了最重要的工具,这也是为什么以仿真起家的安世亚太公司,虽然是增材制造领域的新进入者,但却具有领先优势的原因。但在增材领域,仿真有个难题,那就是多尺度问题。用增材思维来看传统制造的产品,其特点是傻大笨粗。可以肯定地说,任何一款传统制造产品都有50%甚至更多的材料是冗余的。自然界的生物经过数亿年的进化,都把结构优化到极致,绝不会生长一点多余的材料。这些结构,譬如树枝或树叶,他们都是具有细小纹理的多孔结构。在传统制造世界,这种结构模式是不可想象的,但在数字化制造(增材制造)世界是再正常不过。但对这种结构的仿真难度很大。我们需要确认宏观结构和微观结构都是最优的,但在当前的仿真技术之下,两种尺度的结构不能在同一个模型中出现,但还要在不同的计算中传承对方的计算结果。宏观结构的力学特性需要根据微观结构来计算结果等效获得,微观结构的计算则需要宏观结构的计算结果作为输入。这些关联工作是增材仿真过程的重点。


在增材正向设计的第三项关键技术是架构优化,在其他领域称为拓扑优化,我更愿意将它称为架构优化,因为在正向设计体系中,架构的创新和优化是首要工作。在架构优化中,我们并不需要对结构的形式做限定,只需要给出结构的受力和约束条件,软件可以按照力的传递路径自动找到最佳的结构形式。再结合创成式设计和多尺度仿真,对这个结构形式进行微观设计和仿真。


高端装备


此处所言的高端装备指的是用于增材制造的系统级装备、核心装备和组件、增材工艺和材料等。系统级的装备包括有多个打印设备和周边设备组成的体系组成,也包括单一打印整机,这是我们通常提供给工业界的系统级产品。核心装备和组件则指的是我们有特色的核心部件,这些核心部件也可以作为独立产品供其他的装备制造企业使用。增材工艺和材料特性往往是成对出现,因为一项工艺的可行性与材料特性有巨大关系。我们可以提供最优化的工艺包给用户或者与其他装备制造企业合作。这些各级装备的细节,我们将会在未来的文章中做详细介绍。


新工业品


我们对增材制造本质的理解是:基于增材思维对现在的工业体系进行赋能、改造甚至重构。我们坚决反对用增材制造手段来制造传统产品,至少要对传统产品进行再设计,甚至进行架构性创新,这将产生完全不同于以往的、极度创新的新工业品。我们不仅给工业体系提供正向设计技术、增材制造装备,还要和各行业的龙头企业合作研发完全创新型的工业品。微型涡轮机就是一个案例,是我们和航空发动机行业的某研究院合作研发一款新型涡轮机。过去的涡轮机械都是安装在飞机这样的大型装备上,这样的小型涡轮机可以在科幻片中见到,钢铁侠全身便装满了这种装备,使得他不仅能上天下海入地,还具有超强攻击力。传统的研发和制造方式应对这么小型且高性能的涡轮机是很难想象的,正向设计和增材制造相结合,就变得具有巨大的创新空间,什么都成为了可能。


图9 基于增材思维的新工业品研发——微型涡轮机


工业互联——
面向服务经济的数字化赋能


基于工业互联网技术,对工业软件和增材制造体系进行改造,使系统或装备可以在工业云上运行,同时可以对用户提供服务,还可以建立社会化的生态,形成更大范围的产业模式。这个体系中有三个子体系,分别是仿真云生态、知识云生态和增材云生态。


服务经济


“服务经济”是针对传统的“产品经济”来说的,实际上是云时代的工业新特征,可以让产品经济向服务经济转型。在制造业提出的服务型制造模式,及在软件业提出的SaaS模式,都是服务经济的在不同行业的表现形式。


在服务经济中,有两个特征,一个是“技术服务化”,一个是“服务开放化”。技术服务化指的是:产品不再是用来卖的,而是服务的载体。服务开放化指的是:服务不再只有供应商来提供,而是全社会都可以参与服务。在这两大特征下,供应商和产品的目的和效果都是直接为用户赋能,使其直接获得价值,而不是他们通过购买生产工具——装备或软件——来间接获得能力。

图10 服务经济的两大特征:技术服务化和服务开放化


技术服务化和服务开放化这两大特征的技术基础便是工业互联网,有时候也称为工业云。在我们开放工业云的时候,同时就把我们研发的设备和软件实现了技术服务化。用户通过工业互联网来使用我们的软件和装备,他们无需购买,只需按需使用,按照使用的频次和时长来支付费用。用户此时获得的不是生产工具,而是一种能力,所以我们称为“赋能”,而且赋予的这种能力是数字化能力,同时也是通过数字化的方式所提供的,所以我们称为“数字化赋能”。我们开放工业云的时候,其实产业中的其他供应商,或者社会上的知识和技术的拥有者,也可以通过这个工业云来提供服务。这种服务可以是装备或软件,也可以是知识和技术。这时候就是服务开放化了。


图11 工业互联网支撑技术服务化和服务开放化


很明显,这种方式非常好地降低了数字化技术的经济和技术门槛,让过去只有大型企业才可以采纳的数字化技术,普及到中小企业的千家万户中去。


仿真云生态


仿真云生态其实是通过工业云把仿真软件、高性能硬件、仿真数据、社会化的技术服务人员聚合在一个平台上形成一个利益共同体。SaaS化的仿真软件依据订阅时长收费,高性能硬件依据调用时间收费,社会化的技术人员可以通过这个平台来为应用单位提供服务获得报酬,也可以在这里开发和提供仿真APP来获得收入。用户则享受最经济的软件、最贴合需求的APP和最精准的技术服务。


图12 仿真云将软间、硬件、人和数据形成利益共同体


仿真软件的供应不再是个别软件,而是一站式供应很多种软件,这是安世亚太的传统优势——可对接国际上大多数仿真软件商。过去用户购买仿真软件的时候非常慎重,因为软件非常昂贵,买来某一个就只能一直用这个,买错了就麻烦了。但现在无需这么慎重,只需要在云上根据需要无压力地提挑选,随时更换,反正不用了就关闭,不用再付费。


图13 全球仿真软件的一站式供应


知识云生态


对知识进行管理是企业的天然需求。过去企业都是购买知识管理软件来完成自家知识的管理,现在可以通过知识云平台来免费使用软件。我们通过平台所管理的知识的数量来收费。也就是说,如果没有知识,说明云平台没发挥价值,那用户无需支付费用。但如果确实帮企业管理了知识,也就是说云平台发挥了价值,则企业只需支付少量费用。这个平台针对企业,我们希望帮企业打造学习型组织;针对个人,我们希望你的知识能变现,同时你的价值有所提升。


图14 知识生态双引擎:知识IPO和知识图谱


知识云平台提供了两个引擎,一个是知识IPO,一个是知识图谱。知识IPO引擎用来挖掘企业的隐性知识,促进企业的技术人员愿意将他的知识贡献给企业。知识图谱则是针对显性知识进行掘金。企业一般都会有很多文档资源,但这些文档越多,也许越不能发挥知识价值,因为人们被埋没在文档的汪洋大海中,根本就找不到自己想要的文档,而知识图谱相当于提供了一个导航地图。而且这些文档作为单篇文档来说,知识特征不强,只有把海量知识放在一起的时候,通过知识图谱就能形成知识特征。


增材云生态


在增材云生态中,你并不需要买个3D打印机,只需要在这里设计你需要的产品,云平台就可以选择一家合适的打印机帮你打印出来,然后送货上门。这台打印机也许就在距离你家不远的一个打印服务社,就像现在的图片社一样。当然你甚至都不需要设计,只需要在创客集市挑选一个设计,支付少量的费用,对这个设计做简单的参数定制。如果你确实想玩一下打印机,这里也可以DIY你的打印设置,做出与众不同的打印品。在这里,你可以安心做一个创客,不需要关心与创造无关的事情。


图15 增材云生态让你安心做一个创客


数字孪生——
虚实共智的数字化业态


数字化的技术越来越丰富,前文介绍的数字化技术只是冰山一角。数字化技术丰富是好事,但也带来烦恼。各自为政的数字化技术只会把物理世界的应用条块分割,对数字化技术的用户来说更是难度加大,很少有一家用户可以应用这么多的数字化技术,更别说把它们整合成一个完整有效的体系。


数字孪生体综述


因此,无论是数字化技术的供应商还是用户,都需要一个整合化的技术模式,也需要一个聚合化的商业模式,于是数字孪生体便应运而生。该子体系中不仅将前三个相对独立的数字化体系聚合成一个综合体系,而且要发展社会上其他众多数字化技术的供应商生态,为三个重要的数字孪生场景提供解决方案并进行工程落地,这三个场景分别是孪生工业、孪生城市和孪生战场。


数字孪生体这一概念经过十几年的发展,随着数字化技术的进步和广泛应用,使得这一概念发展成为一个完整体系,逐渐在各行业开始综合化应用。


简单来讲,数字孪生体其实就是要建立一个物理世界的数字化镜像。一个完美的数字孪生体应该能全面反映物理对象的所有特征和特性,物理世界的一举一动在数字孪生体上都可以反映出来,并且可以预测其未来状态。我们对数字孪生体进行操纵的时候,物理世界也随之被操纵。这相当于提供了一个驾驭物理世界的简便易行的方式,毕竟驾驭数字世界要容易的多。数字孪生生命体(图16)则反映了数字世界和物理世界的互动关系。


图16 数字孪生生命体模型


本图上部是数字孪生体系框架,下部是物理对象的示意。物理对象在此图中用于表达数字孪生世界与物理世界的关系,不是数字孪生体框架的要素。数字孪生体系架构包含以下要素:数字建模(躯体)、测量与控制(神经)、模拟仿真(左脑)、数据分析(右脑)、数字资产(社会性)和人机交互(四肢五官)。


成熟度、技术与场景


当然,这样的数字孪生体并不需要一蹴而就。根据数字孪生体的完善程度,可以将其分为五个成熟度。我们把最高级的成熟度定义为“共智”,是数字孪生体的最理想形式,所以数字孪生体系称也为“虚实共智的数字化业态”。


当然建立这样一个相对完美的数字孪生体需要的数字化的技术非常多,图16展示的数字化技术只是较为通用的技术,不同的应用场景还有更多专业技术。根据不同的应用场景来聚合不同的数字化技术是一个可行的道路。


数字孪生体的常见场景包括数字孪生工业,这其中又包括孪生研发、孪生制造、孪生供应和孪生运维等更小的分支。在民生方面,数字孪生城市是较为常见和综合的场景。在军事方面,数字孪生战场是重要场景。这些场景将在我们未来的文章中讨论。


图17 数字孪生体场景、技术和成熟度


数字孪生体实验室


我们需要再次强调的是,数字孪生体这样一个综合和巨大的体系,没有一家企业靠一己之力和自家产品可以形成一个较为完整的解决方案,所以,我们成立的数字孪生体实验室的重要目的是建立数字孪生生态,将与我们互补的数字化技术供应商聚合起来,针对不同的场景和应用对象,打造针对性解决方案,并合作进行工程化落地。《数字孪生体技术白皮书(2019年)》是该实验室推出的研究报告,对数字孪生体理论、技术、场景和案例等方面做了研究和梳理。


图18 数字孪生体实验室打造数字孪生体生态


数字孪生体作为一个综合的数字化体系,将对中国社会的数字化转型提供支撑。我们将针对行业、地区、企业、园区、城市等,建立数字化转型促进中心,提供整体规划,法规与政策支持、示范中心建设、基础设施建设、人才培养等支撑和服务。


图19 数字化转型促进中心模型


结 语


我们相信,数字化时代的正向研制体系将对中国千万家企业和城市的数字化转型具有普适性的支撑和促进作用。