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方案解读 | 当正向设计“遇见”增材制造

时间:2018-03-19

     

       增材制造不仅是一种新工艺手段,更是新一轮产业革命中改变人类生产和生活方式的重要引擎和颠覆性技术体系。其颠覆性不仅体现在制造和服务端,更体现在设计端。其背后的增材思维将带来一场释放自由度和激发创造力的设计革命。这场革命针对的不仅是产品研制人员,更是广泛大众。基于正向设计和增材制造的高端研发与先进制造整体解决方案回归工业化的本质、重塑设计与制造的关系,将成为实体经济跨越发展和制造业转型升级难得的机会窗口。

      2015年下半年安世亚太公司发布工业再设计战略和正向设计咨询体系,两年多来笔者及同仁撰写了系列文章[1-6]尝试对工业再设计和正向设计的外部需求、内涵外延和方法流程进行阐述。伴随着技术发展、市场认知和客户实践的深入,我们的认识也不断深化。作为阶段性成果,本文对相关概念的来龙去脉和由此形成的基于正向设计和增材制造的高端研发与先进制造整体解决方案(以下简称整体解决方案)的理论架构和方法工具做一系统梳理,请大家指正。

1
 
 业务需求分析(Why)         
 

 

       安世亚太公司通过总结提炼中国工业化进程中的各行业复杂产品研发实践经验,分析得出中国制造业转型升级的内部困难、(两大)核心问题和(六条)根本原因(图1)[3],并得到两点认识:

  • 新一轮科技革命产业革命下的创新商业模式是制造业成功转型升级和提升企业自主创新能力的有力保障;

  • 站在系统工程角度重新认识设计与制造的关系是制造业转型升级和现阶段工业化补课的切入点和突破口。

    

图1 中国制造业转型升级的问题空间分析[3]

 

在《为什么工业再设计是现阶段的突破口?——试论制造业转型升级的路径选择》一文[2]中,笔者从技术经济学和创新动力学[7]的角度出发,认同符合科学发展观的中国三阶段创新路线图应该是“经济实力->技术实力->科技实力->科学实力”的可持续发展路径,其基本战略就是尽快摆脱山寨经济,循序渐进地向日、美、欧学习产品创新、技术创新和科学创新,使中国再次并且长期领先世界;三阶段的划分在时间上不是绝对的前后关系,而是三阶段同时进行,但国家制定的发展战略,应在不同时期发展的重点有所不同而侧重于某一个阶段,以保证资源的最佳使用。同样应用技术经济学和创新动力学的原理,笔者认为,工业化和信息化是纲与目的关系(图2),工业化是信息化的根基源泉前提和基础,是比信息化更大的系统工程,相比信息化更是短板,在相当长的历史时期内都具有升级空间;现阶段推进两化深度融合的主要矛盾是工业化落后于信息化的发展;矛盾的主要方面是针对工业化的具体问题和需求,如何利用信息化的方法手段工具去促进升级,而不是盲目追求信息化自身的跨越式发展[2]。

图2 从现代TRIZ理论的提高系统完备性趋势看待工业化与信息化以及实体经济与非实体经济之间纲与目的关系[8]

       图2将TRIZ理论的技术系统完备性模型分为信息层面和非信息的物理对象事物层面。这一划分恰好与专利法中发明专利对方法和装置的划分相对应。而且,笔者认为,钟义信教授给出的信息的两个定义(某个事物的本体论信息,就是这个事物关于自身运动状态及其变化方式的自我表述;某个主体关于某个事物的认识论信息,就是这个主体关于该事物的运动状态及其变化方式的形式、含义和价值的表述)从另一侧面说明了信息对非信息的物理对象的从属关系。

       站在制造业转型升级的全局宏观角度,用经济学方法(如边际效用和比较优势原理)分析可以得出,现阶段大概率成功的商业模式应该落脚在产品的工业化创新。一个现实的例子是,经过二十多年的努力,国产工业软件的商业成功乏善可陈,工业产品研发创新所需的各种软件工具和平台(CAx/PDM/ERP等)的市场绝大部分为国外软件巨头把持,而且短期内看不到改变这一现状的趋势和内在动因;而在工业品研发应用领域,已有个别行业的复杂产品、装备和重大工程,我国已逐步赶超国外处于世界领先地位。

       要想实现制造业整体转型升级和工业体系的全面赶超,不可能再依靠劳动力成本的比较优势构成的“第一种机会窗口”,而只能靠处于酝酿阶段的新技术革命所提供的“第二种机会窗口”(图3)。这时,虽然新技术体系的大量突破最初出现在发达国家,但由于其技术体系处于早期阶段,技术成熟度和科技知识意会程度较低,如果后发国家能以创新商业模式和关键点上的核心技术突破在这个阶段快速进入新技术体系,同时在传统产业领域面对的是发达国家已经打通了的确定技术路线,进而节约大量试错成本,后发国家将有可能和发达国家站在同一起跑线;而发达国家有可能受困于旧技术体系范式的锁定效应,某些新兴后发国家由于没有沉没成本和技术锁定的路径依赖,有可能比发达国家更适应新技术经济范式的要求,甚至取代先行者的技术和制度领导地位,从而实现跨越式发展。这也是所谓换道超车的题中之义。对于后发国家,在新技术革命提供的“第二种机会窗口”期,不仅要致力于传统产业的补课,而且要努力实现在新兴产业的赶超。

 

图3 制造业转型升级的机会窗口[9]

       什么样的创新商业模式才能满足“第二种机会窗口”下成功进行换道超车的要求?首先,转型升级的关键在于价值创新,为整个产业链赋予新的价值,没有价值创新,就没有可持续发展的商业模式,转型只能沦为转行。其次,要有全球化的视野。清华大学魏杰教授2017年初提出,第三次全球化是技术、市场、资金、劳动力这些价值资源的全球配置(第一次全球化是领土的全球开发,第二次是全球贸易)。那么,新一轮科技革命产业革命下的创新商业模式也必须是基于技术、市场、资金、人才、政府这些价值资源进行全局优化配置的商业模式,新一轮科技革命产业革命下转型升级主体的制造业企业也必须采用基于可重构的设计制造一体化的积木式的系统级或体系级集成创新的商业模式(图4)

图4 第三次全球化浪潮下制造业企业基于设计制造一体化的可重构商业模式[10]

明晰对创新商业模式的要求后,如何选择切入点和突破口就成为制造业转型升级的关键问题。这一切入点和突破口应满足如下原则和条件[2]:

  • 回归工业化(更确切地说是产业化)的本质:为了人类文明的可持续发展,通过持续采用新技术和追求高效专业化组织,不断提升以设计和制造活动为核心的物质生产的理想度水平(理想度这一概念的解释参见2.1.2节)。

  • 主体性:真正让企业成为创新主体和经济舞台主角;

  • 目的性:直面工业化需要补课、补短板的现实需求,提升那些无法逾越替代的工业化能力;

  • 系统性:从工业化本质出发进行目标分解,站在系统全局的高度重新认识设计与制造的关系:

     - 从系统工程角度把握整个产品设计、工艺设计和制造过程,分析结构与材料的关系,积极构建绿色制造体系,破解绿色发展问题;

     - 配合现阶段产品创新的需求,助力产品质量问题的解决,加快提升产品质量;

  • 可持续性:第一步小步的改进和收益给企业带来正反馈,使研发体系建设和核心竞争力培育进入滚雪球式发展的良性循环,从现有产品改进创新入手补工业化的短板,既获得知其然知其所以然的知识,又获得企业持续发展的经济实力和市场份额,然后激活研产学的技术创新,进而到学研产的科学创新,走上符合科学发展观的可持续发展路径;

  • 可行性:不是需要大量科研和研发投入的原始创新,不是为了把科研投入变成论文和获奖,而是为了把通过迈小步改进而实现工业化补课得到的知识变成企业效益,让作为创新主体的企业快速得到收益;

图5 中国制造业转型升级的解空间分析

        基于上述分析,为应对中国经济转型升级过程中对自主创新的强烈需求,并为《中国制造2025》中的设计制造一体化提供可落地实施的解决方案,在为《中国制造2025》中的研发设计提供精益研发解决方案的基础上,安世亚太公司正本清源,提出了基于正向设计和增材制造的高端研发与先进制造整体解决方案(图5)。

2 
 
 术语定义(What)
      
      作为在产品设计方法学和PLM领域内极少见的不来源于西方发达国家、没有直接对应的英文术语、而具有鲜明中国特色、来源于中国制造业转型升级和研发实践的两个术语,两年来,随着相关技术成熟度的提升、市场认知和客户实践的深入,“正向设计”和“工业再设计”的定义经过细微的变动演化,目前已达到相对成熟稳定的状态,最新版定义如下。

【正向设计(systematic forward design; forward design solution system based on systems engineering methodologies)】

       为迎接新一轮科技革命和产业革命带来的机遇并应对制造业转型升级的挑战,以系统工程的理论方法和过程模型为框架,以增材思维为代表的新技术体系为抓手,面向人工物理系统的改进设计、原创设计和技术研发等场景,可以借鉴逆向设计的方法手段消化吸收各种现有技术和成果,不以仿制抄袭山寨为手段和目的,来提升人工物理系统的设计制造一体化能力、企业自主创新能力乃至企业和社会可持续发展能力的设计活动、设计方法和解决方案咨询体系。

【正向设计的简版定义】

      以系统工程为框架,以增材思维和技术为抓手,面向人工物理系统的改进设计、原创设计和技术研发,来提升人工物理系统的设计制造一体化能力、企业自主创新能力乃至企业和社会可持续发展能力的设计活动、方法和解决方案咨询体系。

【工业再设计(redesign for industrial products)】

       正向设计的业务场景之一。对于处于成熟期(技术系统进化S曲线的第三阶段)的人工物理系统,不改变功能用途,站在系统的高度重新审视需求,按照价值、功能和能量的观点,以效法自然的方式,利用计算机辅助创新、仿真优化、增材制造、等材制造等突破性新技术、新工艺、新材料重新设计整个系统的产品设计、工艺设计、材料设计和制造过程,实现重新设计后的人工物理系统的功能、结构和材料在全生命期内的最佳组合,使得该类人工物理系统沿S曲线的进化更接近自然赋予的极限。

2.1 内涵

      为什么要在“正向设计”的定义中对逆向设计采取兼收并蓄的包容态度,正向设计和逆向设计是什么关系?为什么在“正向设计”的定义中要强调“以系统工程为框架”、“以增材思维为代表的新技术体系为抓手”?为什么在“工业再设计”的定义中要提“价值、功能和能量的观点”和“效法自然的方式”?让我们回归事情的本源和本质,用系统和系统进化的观点来思考“正向设计”和“工业再设计”的内涵。

2.1.1 正向设计与逆向设计

      回顾中国工业化进程中,复杂产品和装备的研发模式从测绘仿制、到改进改型、再到自主研发由低端向高端演化的历程,可以看出每个历史时期的研发模式都可以说是正向设计和逆向设计混合应用的模式,只不过各时期正向设计和逆向设计所占比重不同,逐步地由逆向设计占主导转变为正向设计占主导,而且伴随这一过程,逆向设计和正向设计的能力成熟度水平也不断提升。先看一下逆向设计能力成熟度水平的提升过程[3]。

      基于“原准法”的测绘仿制是典型的逆向设计活动。特别是在早期装备的测绘仿制过程中,存在大量的相对低水平的逆向设计活动(如图6红色箭头所示),即仅由实物反推到图纸、反推到设计,而无需反求到原始需求。在经济日益全球化、市场化的今天,测绘仿制已不可行、且没必要。对于后发工业化国家来说,从引进消化吸收国外先进产品和技术、或从分析国内外竞争对手的现有技术和产品开始,再到改进改型、再创新,是复杂工业品研发模式演进必不可少、不可逾越的历史发展阶段,其作用是站在前人或巨人的肩膀上,锻炼研发队伍,提升企业核心竞争力。

图6不同成熟度水平的逆向设计在系统工程实体V模型中的体现[3]

       对于从国外花钱买产品图纸和专利技术等知识产权的引进消化吸收,需要具体情况具体分析。对于只引进、没有或很少花精力消化吸收,相当于省却了“原准法”开始阶段低水平的逆向设计,说白了是半路起家、囫囵吞枣的抄,这只是没走完正向设计的全过程全内容的、低水平的正向设计。对于注重引进之后的消化吸收,由于和逃避技术风险的“原准法”目的不同,这里一定包含了反推到需求的高水平的逆向设计活动(如图6绿色箭头所示)。

图7 以逆向设计为主线的现有技术分析示意流程[3]

      对于自主研发创新模式下的分析国内外竞争对手的现有技术和产品,本质上和引进消化吸收模式中的消化吸收是一致的,差别只是在,是否包括了研发最前端的市场需求和业务需求开发和分析。所以,现有技术分析(参见图7泳道图给出的示例流程)包含了比引进消化吸收更高水平的逆向设计活动(如图6黄色箭头所示),而且是在自主研发创新模式正向设计框架下的逆向设计。

      由于系统工程是保证把复杂的事情做对、做好、做快的一套方法论,所以,对系统工程框架的依赖程度或者说对系统工程过程的符合程度,不但是衡量逆向设计能力成熟度的重要指标,更是衡量正向设计能力成熟度的重要指标。正向设计能力建设是一个长期、动态、系统的学习和实践的积累过程,兼收并蓄,纲举目张,以系统工程为框架,以设计制造一体化为方向,从没按系统工程过程的低水平“正向”设计,到系统工程过程模型方法指导的产品正向设计,再到系统工程过程模型方法指导的产品和工艺正向设计,最后到基于系统工程框架的、实现了(产品、材料、工艺)设计制造一体化的、整个产品系统全生命期的正向设计,最终完成由低端走向高端的正向设计能力成熟度提升全过程。

2.1.2 正向设计与增材制造

增材制造是指基于类似数学微积分的离散-堆积原理,由零件三维数据驱动和计算机自动控制实现精确可控的,逐层增加材料直接制造零件的数字制造技术。相比减材和等材制造,增材制造无模具、无工装,但它绝不仅仅是一种新的制造加工工艺方法,而是新一轮科技革命和产业革命中将会改变人类生产方式和生活方式的重要引擎和颠覆性技术体系。这种颠覆性体现在,除了这种新的制造工艺带来的,可在一台设备上快速精密制造出任意复杂形状的零件,大幅度减少零件数目和加工工序、缩短加工周期、节省原材料、降低能耗等众多好处外,更重要的是,它实现了结构设计、高性能材料制备、复杂构件制造的一体化,并为宏观上的结构设计和微观上的材料制备带来革命性的变化:[11-15]

  • 增材制造技术背后的增材思维是一场设计的革命,它完全打开了设计枷锁,DFM(制造)、DFA(装配)等基于减材制造的传统设计方法少有用武之地,设计人员可以真正回归用户需求,进行面向功能的设计(DFF)或面向增材制造的设计(DFAM),按照价值、功能和能量的观点,使设计与工艺、设计与制造之间不再是因果与顺序关系而是互为激励的活系统,以效法自然的方式实现大型/超大型构件或结构系统、复杂/超复杂构件或结构系统、多品种小批量个性化产品的低成本创新设计和快速制造,乃至创造超常结构实现超常功能。

  • 传统制造工艺的焊接、热处理、及镀、喷、涂、氧化、化合、硬化等表面处理是用宏观粗放的手段实现微观材料特性的调整和变性。而增材制造是以精微材料为起点、以数字化控制为手段,创造性地实现了在零件制造过程的同时在制备材料(乃至将不同材料创造性地复合在一起,甚至合成出新材料)、制备材料的同时在制造零件。即将传统上材料选择制备和工艺加工的串行过程转变为成性和成形的并行过程,从宏观转向微观,实现结构力学与材料力学组合突破,提升对产品本身性能、对材料组织结构和性能以及制造过程更为精密、精确的控制能力,实现高性能新材料数字化制备能力,特别是高性能非平衡材料、高活性难熔难加工材料、高性能梯度材料的制备,以及高性能材料多尺度复合制备和新材料/超材料制备。

  • 可以预见,随着3D打印技术规模产业化,传统的工艺流程、生产线、工厂模式、产业链组合都将面临深度调整。按工业门类和产品种类划分由专业化工厂组织工业品生产制造的壁垒将逐步消失,进而开启端到端(客户需求端到满足客户需求端)的时代:备品备件库将逐步取消,现场制造与修复等等高效维修保障模式将成为主流,武器装备的舰载式或战场移动激光成形与修复系统、乃至太空制造正在逐步登上舞台;基于工业云、物联网、虚拟现实等技术的分布式制造、泛在制造、社会制造等近乎零边际成本的生产模式将成为现实。

  • 最后,作为制造技术大家庭的一名新成员,增材制造虽然是一种变革性的新技术,发展潜力巨大,但它仍然要与传统制造技术相互补充,而不会颠覆取代传统制造技术。人工物理系统的制造技术体系将迎来增材、等材、减材唇齿相依、工艺融合的新时代。

       让我们从TRIZ理论技术系统进化趋势的视角审视以增材思维为代表的增材制造、仿生制造和微纳制造等先进制造技术对传统设计方法学和制造技术的颠覆性及其对新一轮科技革命和产业革命的推动作用。

       根据TRIZ理论,技术系统(即人工物理系统)的进化遵循客观规律(图8),并以提高自身的理想度(即用尽可能少的资源实现尽可能多的有用功能)为进化目标,技术系统在进化过程中由于系统内部各个子系统进化的不一致性会产生矛盾,需要人们利用现有资源不折中地解决矛盾,实现技术系统由结构简单-功能简单、到结构复杂-功能复杂、再到结构简单-功能复杂的不断螺旋式上升的发展进化(图9)[16]。

 

图8 现代TRIZ理论中技术系统进化趋势的结构[17]

 

图9 TRIZ理论的技术系统进化趋势在技术系统由简单结构功能、到复杂结构功能、再到简单结构-复杂功能的螺旋式上升式进化中的应用[16]

      为了实现提高理想度这一技术系统进化的终极目标,人们通常会根据理想度的公式(理想度=有用功能之和/(有害作用之和+成本)),而采用不排除按常规折中的价值工程方法,诸如提高性能的同时降低成本等等;但TRIZ理论恰恰相反,TRIZ用毫不折中的“理想化最终结果(Ideal Final Result,简称IFR,意指不用任何物质和能量资源、没有任何成本地实现所需功能)”这一用来打破思维定势的概念,鼓励人们永无止境地去追求技术系统无穷大的理想度。TRIZ之父阿奇舒勒说:“理想化最终结果是所有可思议及不可思议的解中最好的,它仿佛是不存在的第六级水平的发明,它似乎是虚拟的、幻想的、奇异的”,但人类科技发展史却不断将这些科幻小说式的奇异幻想变成现实。


      目前阶段增材制造技术体系在研发应用中遇到的困难和挑战都将在技术系统进化中(如向超系统进化寻求工艺融合,向微观进化寻求理想物质)得到解决。


      接下来让我们用追求理想化最终结果、提高理技术系统理想度的进化思维来思考设计、制造和工业化的内涵和本质。

设计是人类为实现某种特定目的(即将客观需求转化为满足该需求的人工系统,包括人工物理系统和人工抽象系统)而进行的创造性活动。需求是设计的源动力,设计的本质是创新,是创造一种理想度更高的人类生存方式(包括生产、生活和交流方式),设计的最终目的是人、自然和社会这一复杂巨系统的可持续发展和进化(图10)。


图10 从人、自然与社会三者间相互关系看待设计[1]

        狭义的制造是指通过人力、工具、机器、化学、配方或生物等方法将设计的结果进行制作或生产出满足需求的人工物理系统,特别是将原材料批量地转化为产品。广义的制造有时还包括前端的设计。但实际上,从两者的定义可以看出,设计的内涵更丰富,它不仅对接人工物理系统的制造,而且还包括了人工抽象系统的设计。

       工业化(产业化)则是为了人类文明的可持续发展,通过持续采用新技术和追求高效专业化组织,不断提升以设计和制造活动为核心的物质生产的水平。

      所以,不断提高理想度的设计制造一体化是工业化(产业化)迈向理想化最终结果的必由之路,即从人类社会早期相当长时间的手工作坊式的低水平的设计制造“一体化”(设计没有成为独立的技术或科学子系统,而只是制造过程的一部分),到分别开始于18世纪末第一次工业革命英国和19世纪末第二次工业革命德国美国的制造子系统和设计子系统之间的不均衡发展阶段,再到发端于20世纪中叶直至今天的从传统系统工程到现代系统工程(即基于模型的系统工程)对产品和系统全生命期管理在信息化层面的改造和提升[18],然后到目前我们在工业化层面从宏观流程到微观机理彻底打通设计和制造间的禁锢壁垒和藩篱,最终迈向设计制造完全融合的更高级阶段。杰里米·里夫金在《零边际成本社会》一书中阐述了物联网和增材制造等技术对人类社会的颠覆性影响,为这一理想度不断提高的工业化历史进程描绘了令人憧憬的协同共享时代的未来画面。

       对于设计技术子系统的发展进化,可以参照上文阐述的正向设计能力成熟度提升过程,其核心是产品、材料和工艺的一体化设计。

      对于制造技术子系统的发展进化,从人类早期石器时代的原始减材制造,到青铜和铁器时代的原始等材制造,再到近代发端于两次工业革命开始的现代减材制造和等材制造并行发展的时期,然后到本世纪初开始进入工业应用的增材制造时期,进而迈向以增材思维实现设计与制造融合并且增材、等材、减材、微纳、仿生等制造唇齿相依工艺融合的新时代(图11)。

 


图11 人类生产模式和制造技术的螺旋上升式发展[10]

 

鉴于工业化(产业化)->制造业转型升级->设计制造一体化->正向设计->增材思维和增材制造之间的目的手段关系,即“设计制造一体化”完全应和了工业化(产业化)的本质,基于增材思维的增材制造技术体系代表了人工物理系统由低级向高级的进化方向。所以,我们在“正向设计”的定义中强调“以增材思维和增材技术为抓手”,强调增材思维和技术是提升设计制造一体化能力的抓手,并将“提升人工物理系统的设计制造一体化能力”作为正向设计能力建设的三大目标之一。

 

2.1.3 工业再设计及工业再制造

      作为正向设计的业务场景之一,工业再设计的定义中给出了具体的技术手段——“按照价值、功能和能量的观点”、“以效法自然的方式”和“利用计算机辅助创新、仿真优化、增材制造、等材制造等突破性新技术、新工艺、新材料重新设计......”。

 

价值的观点,核心理念是TRIZ理论技术系统进化趋势之首的提高理想度趋势,方法工具包括TRIZ理论技术系统进化趋势体系、价值工程以及TRL、MRL、IRL、SRL等各种成熟度评价方法。

 

功能的观点,是工程实践的基本观点,处于人工物理系统本体模型的核心地位(图12)。它不但是TRIZ理论和德语学派设计方法学所强调的观点,是系统分析、物理效应知识库和技术创新解决方案知识库的基石,也是世界各国公认的发明专利制度中专利分类、专利申请中的权利要求保护范围策划、专利审查的创造性判断、专利纠纷中等同侵权判断等共同采用的技术观点。与功能观点相对的是,产品结构的观点、领域或行业的观点。功能观点的优势在于,打破行业、学科领域和产品门类的思维定势和壁垒,实现他山之石可以攻玉。在我们的整体解决方案中,功能的观点也是基石之一,面向产品、材料和工艺一体化设计的功能本体模型如图13所示。

 

图12人工物理系统的本体模型(部分)[19]

 

图13 功能的本体模型[19]

 

能量的观点,核心理念是面向可持续发展的目标,应和生态设计和绿色制造的要求,提升人工物理系统中能量流的品质,方法工具包括TRIZ理论技术系统进化趋势中的流增强趋势和能量传递趋势,以及?分析等。

 

效法自然的方式,是指道法自然、向生物学习、向自然界学习,利用新颖的受生物启发而来的合成策略和源于自然的仿生原理来设计超常结构,合成有机、无机、有机-无机杂化结构材料和功能材料(图14,图15)。正如TRIZ理论的物理效应知识库和技术创新解决方案知识库是对人类工程实践的科学总结;自古以来, 自然界同样也是人类各种技术思想、工程原理及重大发明的源泉。大自然是人类伟大的老师,向自然学习是高水平的逆向设计(图6)+正向设计,在这里,逆向设计(效法自然)同样只是手段,正向设计是目的。

图14 效法自然的仿生设计和制造[20]

 

 


 图15 骨骼和竹子从宏观到微观的结构[21]

      工业再设计定义中给出的这些技术手段同样适用于正向设计。
      如果说智能制造是两化融合的主攻方向,综合集成是企业信息化建设的主要内容、是两化融合的难点重点和突破点,那么可以说正向设计是制造业转型升级的主攻方向、是实现《中国制造2025》三步规划所需要找到、设计、践行的适合未来长期可持续发展的最长一块板、是企业核心竞争力建设的主要内容,而工业再设计则是针对当前最薄弱短板的应急性行动、是现阶段工业化补课的突破口、也是两化融合针对生态设计和绿色制造的另一突破口。[2]
   
      2017年11月初,工信部印发《高端智能再制造行动计划(2018-2020年)》,要求深入落实《中国制造2025》,加快实施绿色制造,推动工业绿色发展,聚焦盾构机、航空发动机与燃气轮机、医疗影像设备、重型机床及油气田装备等关键件再制造,以及增材制造、特种材料、智能加工、无损检测等绿色基础共性技术在再制造领域的应用。作为“以尺寸恢复和性能提升”为主要技术特征的机电产品资源化循环利用的中国特色再制造产业,可以认为是工业再设计的子集或业务场景之一,即不用计算机辅助创新和仿真优化等设计技术,而只用增材制造等先进制造工艺实现对现有产品的尺寸恢复和性能提升。


      增材制造等先进制造技术除了助力工业再制造,还可以应用于以下场景,以满足基于生态设计和绿色制造的可持续发展循环经济的大目标:(1) 通过改进产品维修性设计(Design for MRO)延长产品使用寿命;(2) 面向客户装配和材料回收的可拆卸设计(Design for Disassembly);(3) 增材制造大规模定制条件下,在产品设计早期就检核材料使用和报废处理的面向回收再利用的设计(Design for Recycling);(4) 面向新型复合材料和生物材料增材制造的材料回收和再利用;(5) 增材制造产业链内的清洁能源开发和利用;等等。增材制造技术对于人类可持续发展和循环经济,机遇和挑战并存,但机遇远大于挑战,所面临的挑战要站在生态链、产业链和产品全生命周期等全局和系统的高度加以解决。

2.2 外延

“正向设计”和“工业再设计”的适用对象从最初的复杂系统和产品拓展到现在的人工物理系统(即一定包含硬件的人工系统)(图16),适用范围从最初的产品设计拓展到现在的产品设计加环境设计(图10)。这样,与人类生产生活密切相关的医疗卫生、文化创意、智能建筑、智慧城市等行业和领域被纳入到“正向设计”和“工业再设计”的业务范围。经过这样的外延拓展后,“正向设计”和“工业再设计”面向的业务领域和场景已拓展到人类工业化进程的核心——设计制造活动所指向的所有物质生产。

 

图16 系统分类与人工物理系统[22]

       关于正向设计和工业再设计之间的关系。从所覆盖的业务范围角度看,工业再设计是正向设计的一个子集(图17、图18),即在适应基于MBSE新研发范式的精益研发三维系统工程模型框架[18, 23]中,正向设计活动充满了整个三维空间,可以应用于各种系统层次和系统的各个生命期阶段的改进设计、原创设计和技术研发三大类业务场景;而工业再设计主要针对于成熟期的产品和系统的改进设计和重新设计。从工业化发展阶段看,工业再设计适合作为中国现阶段聚焦产品质量和产品创新的制造业转型升级的切入点和突破口以及工业化补课式的解决方案;正向设计在发达国家是常识,在中国则需要从学术界到工业界重建正向设计的理论和实践,而正向设计能力建设是一个长期、动态、系统的学习、实践和能力成熟度提升过程。

图17 精益研发三维系统工程模型框架下的正向设计三维空间[18]

图18 精益研发三维系统工程模型框架中的工业再设计子空间

3 
 
 体系架构(How-1)
      

3.1 技术架构和逻辑架构

整体解决方案的技术架构(图19)参照了钱学森在系统观点指导下1980年代初提出的“三个层次一座桥梁”的现代科学学科体系一般框架(图20),包括:基础学科层——系统工程、数学、物理学、材料学等,信息化使能环境——面向数字主线和数字孪生的数据协同、基于大数据和物联网的云制造,技术学科层——TRIZ及技术创新和管理、拓扑优化、工程仿真、知识工程,工程技术层——基于系统工程面向增材制造的产品材料工艺一体化设计方法学、及其流程体系组合配置而成的正向设计咨询体系、先进制造工艺融合优选咨询体系、先进材料制备研备服务体系,工程实践层——面向工业品的解决方案体系(如飞机、航空发动机、汽车、模具等)、面向产业链的解决方案体系(如创业者、消费者、医疗、高等教育和职业培训等公共事业、文创、建筑等)、面向工业化和信息化的产品体系(工艺和材料设备、软件工具和平台等)。

 

图19 基于正向设计和增材制造的高端研发与先进制造整体解决方案技术架构

 

图20 学科体系一般框架[24]

图21 整体解决方案逻辑架构

      保证这一技术架构有效运转的整体解决方案的逻辑架构如图21所示,将按材料设计工艺制造专业划分的线性一维树状组织架构拓展为面向应用和市场的主营业务和其他共性基础业务构成的二维矩阵式组织架构。这一架构既符合欧美先进企业研发模式,又与钱学森关于研究对象的学科和研究关系的学科共同织成一张科学的布的思想(图22)相匹配。而且根据钱老这一思想,我们非常重视系统科学、系统工程和数学在整体解决方案中的骨干作用。

图22 科学的二维体系[25]

 

整体解决方案的逻辑架构对技术架构的保障和支撑如图23所示。

 

图23 从系统及其使能系统的生命期阶段模型看逻辑架构对技术架构的支撑[26]

 

3.2 流程体系

支撑“基于系统工程面向增材制造的产品材料工艺一体化设计方法学”的是一套系统化的正向设计流程体系,这套流程体系充满了图17所示正向设计三维空间各个维度、各个层次、各个角落。这套流程体系是基于系统工程的,即系统工程的技术过程域、技术管理过程域、协议过程域和组织项目使能过程域下的各个过程(图24)将被应用于这套正向设计流程体系。

3.2.1 系统维上的主流程

首先是系统维上的主流程,即系统生命期阶段模型及其相关管理流程,保证组织做正确的事,这是面向外部客户、聚焦在交付给客户的产品或服务的物的维度。INCOSE新版系统工程手册给出了来源于ISO/IEC/IEEE 15288、美国国防部装备采办综合管理框架、NASA、美国能源部、典型高技术商用系统集成商、典型高技术商用系统制造商等生命期阶段模型。可以根据系统维上的研究对象类型(如技术、产品、解决方案、业务及其组合等)和系统层次(体系、系统、子系统、元器件/零部件等)的不同,选取或定制合适的生命期阶段流程模板。图24中除了组织项目使能过程域下的生命期模型管理过程外,该过程域下的组合管理过程和基础设施管理过程,以及协议过程域下的采办过程和供应过程,共五个过程在系统维上。
 

      图25是以整体解决方案(组合了技术、产品、解决方案和业务)为研究对象,面向内部业务运营的,从市场需求到技术研发、再到产品组合、最后到解决方案交付的业务运营闭环示意图。图26是业务需求开发、定义、追溯和解决方案开发、交付形成的闭环,相当于是图6的实体V模型(忽略图中的红绿黄逆向箭头)以业务为研究对象、在图17系统维上的实例化,也相当于是图25以业务需求和解决方案为视角的细化。图27是INCOSE新版系统工程手册中的业务或使命分析过程的输入、输出和活动列表,被整体解决方案采纳为业务需求开发流程,是图26的子流程。图28是基于IPD方法的技术研发和产品研发的集成管理框架,相当于是图25以技术研发和产品开发为视角的细化。

 

图24 ISO/IEC/IEEE 15288中定义系统工程过程[27, 28]

图25 从市场需求到解决方案交付的业务运营闭环[11]

图26 业务需求开发、定义、追溯和解决方案开发、交付的闭环[31]

图27 业务或使命分析流程[28]

图28 技术研发和产品研发的集成管理框架[29]

3.2.2 逻辑维上的辅流程

其次是逻辑维上的辅流程,即系统工程的核心过程,保证组织正确地做事,这是面向组织内部、聚焦在系统工程过程执行和管控的事的维度。图24中的系统工程技术过程域下的14个过程和技术管理过程域中除信息管理外的七个过程,共21个过程在逻辑维上。图6的实体V模型(忽略图中的红绿黄逆向箭头)是将图24系统工程技术过程域中的各个过程串起来的核心引擎流程,其中技术过程域的后三个过程(运行、维护、报废)本身就是实体V模型的实例化应用(图29)。

图29 基于系统工程过程的装备后勤保障运维示意[30]

      由实体V模型在系统各个层次上的递归应用构成三维立体的双V模型(图30)。(实体)V模型不仅仅是掰弯了的瀑布模型或串行开发过程,根据TRIZ的一维变多维创新原理,增加一个维度意味着看待世界的视角完全改变,V的形状非常准确地表示了从系统分解到集成活动的系统演进过程,使系统工程过程变得可视化、且易于管理。考虑系统架构和系统元素实体的并行开发而产生的双V模型,二维变三维、又增加了一个维度,体现了系统工程过程模型通过不断向超系统进化而提高理想度的趋势。除了在系统层次上的递归应用外,双V模型可以在可靠性、安全性、保障性等系统特性上进行实例化,也可应用于新产品设计、现有产品改进(包括工业再设计)等正向设计所涉及的各种业务场景以及故障诊断排除等问题求解场景,还可以应用于进化开发、增量开发等软件开发模式[26]。同样,无论是传统的DFM/DFA,还是作为新范式重要组成部分的DFAM,以及面向生态设计和绿色制造的可持续设计(Design for Sustainability),它们都是实体V模型左半边的需求输入,以实体V模型和双V模型为框架开展实际的产品研制,进而实现对实体V模型和双V模型的实例化应用(图31)。

图30 实体V和架构V构成的双V模型在系统层次上的递归应用[33]

图31 系统工程实体V模型可以在全系统、全过程、全特性上进行实例化以及DFAM和其他特性的关联关系示意

      第2节“正向设计”定义中提到了正向设计的三大目标:(1) 提升人工物理系统的设计制造一体化能力,(2) 提升企业自主创新能力,(3) 提升企业和社会可持续发展能力。这三大目标呈递进关系,最终服务于图10所示的设计的最终目的——人、自然和社会这一复杂巨系统的可持续发展和进化。所以,支撑“基于系统工程面向增材制造的产品材料工艺一体化设计方法学”的正向设计流程体系要反映和满足正向设计三大目标按层次分解产生的业务场景和指标体系。例如,图32是满足可持续发展的顶层目标的循环经济模型,这样的模型将为正向设计流程的应用场景——生态设计和绿色制造最顶层的通用特性指标——可持续设计及其在2.1.3节最后提到的若干场景提供需求输入。

图32 由设计驱动并形成良性循环的工业系统——循环经济模型示例[34]

      面向增材制造的设计的总体流程如图33所示。这一流程涵盖了产品的需求分析、架构设计、详细设计等过程。在实际应用时,需要将这一指导性流程与双V模型的系统工程过程框架进行结合。图34给出了基于德国标准机械产品系统化设计VDI 2221的面向增材制造的设计流程,可以认为这是图33按VDI 2221在研发阶段上的具体化。一般认为,VDI 2221是VDI 2206(机电产品设计方法学)的子集,而VDI 2206采纳架构V模型作为机电产品开发的流程框架(图35)。设计方法学德语学派和美国系统工程界近半个世纪来在各自领域的工作和成就殊途同归,使得基于模型的系统工程新范式成为复杂产品研制和全生命期管理的流程框架和信息化平台的核心。

      支撑上述面向增材制造设计顶层流程的是若干专业化子流程,如适用于工业再设计的零件合并和功能集成流程(图36),基于微观宏观结构建模和多目标优化的工艺、材料、零件/产品并行设计,基于MBSE的系统建模、拓扑优化及仿真和创成设计一体化流程(图37),面向增材制造的创成设计流程(图38)等。创成设计是用计算机算法和CAD软件生成概念方案,进而为拓扑优化提供输入;它是增材思维、进而是正向设计/工业再设计的使能技术。目前的创成设计应用热点,除了与拓扑优化的结合,还包括前端与MBSE的结合。

图33 面向增材制造的设计方法的总流程[35]

图34 基于VDI 2221的增材制造设计流程[36]

图35 基于架构V模型的德国标准VDI 2206机电产品设计流程[37]

图36 零件合并和功能集成流程[38]

图37 基于MBSE的系统建模、拓扑优化及仿真和创成设计一体化流程示例[39]

图38 面向增材制造的创成设计流程[40]

3.2.3 认知维上的能力建设

     最后是认知维上的能力建设,DIKW的认知流反映了人和组织智力层次结构价值递增的顺序,记录了主观世界认识和改造客观世界的认知过程和结果,这是关注组织自身成长的人的维度。这个维度既包括人工物理系统全生命期过程中产生的DIKW的管理和转化跃迁,也包括个体和组织现有DIKW在人工物理系统全生命期中的应用。个体和组织对人工物理系统的认识不断深化、积累形成数据→信息→知识→智慧的认知流就是其自身的能力建设(图39)。图24中技术管理过程域下的信息管理过程,以及组织项目使能过程域下的知识管理过程、人力资源管理过程和质量管理过程,共四个过程在认知维上。

图39 DIKW认知流[41]

       在认知维上,DIKW框架、方法和工具可以按组织架构应用于不同层级,也可应用于系统维和逻辑维上涉及图24中系统工程技术管理过程域和组织项目使能过程域的各个过程,还可按照DIKW四个层次,应用于工程海量数据、工业大数据、互联网大数据等不同种类的数据整合、分析、挖掘、展示场景,应用于产品模型数据的管理、融合和协同,应用于知识管理、知识工程、各种专业数据库/知识库建设,乃至应用于集团企业的商业智能和战略决策等。未来利用增材制造、云计算、物联网等技术实现的分布式制造、泛在制造、社会制造等近乎零边际成本的生产模式将在DIKW框架下形成面向赛博物理社会空间的智慧经济。图40给出了DIKW框架在生产制造领域的应用示例。

图40 DIKW框架在制造领域的应用示例[42]

      相比以减材工艺为核心的传统制造模式,以增材制造为核心的工艺融合和分布式云制造模式更需要DIKW框架和大数据、物联网等相关方法工具的支持。图41给出了面向增材制造的云设计制造模式下的数据层服务示例。

图41 面向增材制造的云设计制造模式下的数据层服务示例[43]

4 
 
 方法工具(How-2)
      

这里重点讨论在图19技术架构中起共性基础作用的若干方法工具。

4.1 系统思维

2.1.3节中提到的价值、功能、能量的观点,以及列举的一些方法工具,都是系统思维的具体应用。这里再补充一点——层次的观点,在系统工程叫层次:体系(SoS)-超系统-系统-子系统;在材料学科叫尺度:宏观-介观-微观。层次的观点是指,以关系为研究对象的学科(系统工程、数学),其方法工具可以跨层次应用;以某类事物为研究对象的学科(物理、化学、材料等),其方法工具只能在某个尺度内应用(图42)。

图42 跨尺度的系统思维、系统建模和系统验证[44]

4.2 问题求解

问题求解的思维是贯穿整体解决方案各个层面、各个方向、各处细节的全局性的思维方法,其典型工具就是系统工程和TRIZ。系统工程是保证把复杂的事情做对、做好、做快的一套方法论,解决的是组织创造力的问题;TRIZ理论来自对人类已有技术创新发明成果的分析和提炼,解决的是个体创造力的问题。两者都直面问题、采用系统化规范化的解题流程、并极具创新精神,在我们的整体解决方案中(以及其他众多应用场合),两者互为补充、相得益彰(图43、图44)。

图43 系统工程视角下的问题求解[45]

 

图44 TRIZ理论视角下的问题求解[46]

      问题求解要和系统思维、数学思维结合在一起,树立边界意识和极限意识,为整体解决方案提供理论支撑。以人工智能为例,我们从整体解决方案的业务需求场景的现状和未来出发,对AI技术进行冷静客观地分析(图45),欢迎智能相关技术对整体解决方案的提升。

图45 从系统思维和数学思维出发看人工智能的边界[47]

4.3 数据协同
正如图2所示,按照TRIZ理论提高系统完备性趋势和提高理想度趋势的建议,增材制造、等材制造、仿生制造、微纳制造和梯度材料、智能材料等新工艺、新材料、新技术要想走出象牙塔、取得工业应用的规模和效益,还需要信息化方法手段的辅助支持。除了3.2节流程体系中涉及的各阶段、各步骤所需的平台和工具,更关键的是其中从微观到宏观与(产品、材料、工艺、检测等)数据的产生、管理和协同相关的平台和工具。这里重点讨论与增材制造相关的数据管理和协同平台。增材制造数字主线信息生成地图如图46所示。

图46 增材制造数字主线信息生成地图[48]

       由NIST起草、ASTM和ISO批准、美国增材制造创新研究院和ANSI发布的增材制造标准体系如图47所示。STEP标准(ISO 10303)中新版AP242(基于受管模型的三维工程)和AP238(集成数控加工)也增强了对增材制造产品、工艺和加工数据表达的支持。

      基于数字主线可实现增材制造过程的数字孪生(图48),借助数字替身实践TRIZ理论提到的增加可控性趋势和提高系统完备性趋势(图8)。进而基于STEP/PLCS标准可实现分布式异地供应链协同和增材减材等工艺融合的云制造模式(图49)。

图47 增材制造标准体系[49]

 

图48 基于数字主线的增材制造数字孪生[50]

图49 基于STEP标准数据模型协同的增材减材等工艺融合的云制造模式示例

5 
 
 结论
     
提高理想度水平是一切人工物理系统及其相关的人类设计、制造乃至工业化产业化活动的进化目标。无论是正向设计,还是整体解决方案(图50),都是如此。

图50 整体解决方案的能力成熟度等级框架

新版系统工程手册在提到enterprise这一概念时提到两个必要条件,An enterprise must do two things: [37]

(1) develop things within the enterprise to serve as either external offerings or as internal mechanisms to enable achievement of enterprise operations; 

(2) transform the enterprise itself so that it can most effectively and efficiently perform its operations and survive in its competitive and constrained environment.

      这两个条件换成中文就是:创造价值,成就他人,同时成为更好的自己。这也是enterprise当作组织理解时的本质,即创业+创新。基于正向设计和增材制造的高端研发与先进制造整体解决方案就是我们对“弘扬精益精神,创造智慧工业”这一初心和愿景的最新诠释。

      增材制造与传统制造的关系,可以类比为经典物理和原子物理的关系,增材制造未来的发展也必定像原子物理、量子物理一样有着广阔而深远的前景。基于增材思维的先进制造技术体系正是中国制造业转型升级的“第二种机会窗口”,使得我们有可能换道超车。增材思维是一场回归设计本质、打破思维定势、释放设计自由度和激发创造力的革命;这场革命不仅是制造的革命,更是设计的革命,针对的不仅是产品研发设计人员,而是广泛大众;这场革命将为各层次各领域的创造力教育和工程教育带来革命性的变化;进而倒逼拿来主义畏于创新的保守心态的改变,为重建基于系统工程的正向设计理论与实践扫清文化心理障碍,并提供源源不断的后备人才。

       整体解决方案脱胎于资源全局优化配置的创新商业模式,为《中国制造2025》中的设计制造一体化提供可落地实施的解决方案(图51),既包括现阶段聚焦产品质量和产品创新的制造业转型升级的切入点和突破口以及工业化补课式的解决方案——工业再设计,也包括从学术界到工业界长期、动态、系统化地重建正向设计的理论和实践,从而全面提升人工物理系统的设计制造一体化能力和企业自主创新能力,为制造业转型升级的换道超车提供成功保障(图52)。

图51 安世亚太倡导的精益研发与基于正向设计和增材制造的高端研发与先进制造整体解决方案在推进实施《中国制造2025》中的位置[51]

 

图52 增材制造相关专利技术国别地区分布示意(数据来源:USPTO和WIPO)[52]

 

致谢

 

感谢杭州德迪智能科技有限公司应华总经理对本文的指导。感谢张效军、杨壹杰、包刚强、胡泊诸位同事对本文的贡献。

 

参考文献(部分)

 

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