重磅！方案解讀 ，當(dāng)正向設(shè)計“遇見”增材制造

增材制造不僅是一種新工藝手段，更是新一輪產(chǎn)業(yè)革命中改變?nèi)祟惿�產(chǎn)和生活方式的重要引擎和顛覆性技術(shù)體系。其顛覆性不僅體現(xiàn)在制造和服務(wù)端，更體現(xiàn)在設(shè)計端。其背后的增材思維將帶來一場釋放自由度和激發(fā)創(chuàng)造力的設(shè)計革命。這場革命針對的不僅是產(chǎn)品研制人員，更是廣泛大眾�；�于正向設(shè)計和增材制造的高端研發(fā)與先進制造整體解決方案回歸工業(yè)化的本質(zhì)、重塑設(shè)計與制造的關(guān)系，將成為實體經(jīng)濟跨越發(fā)展和制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級難得的機會窗口。

伴隨著技術(shù)發(fā)展、市場認知和客戶實踐的深入，我們的認識也不斷深化。作為階段性成果，本文對相關(guān)概念的來龍去脈和由此形成的基于正向設(shè)計和增材制造的高端研發(fā)與先進制造整體解決方案（以下簡稱整體解決方案）的理論架構(gòu)和方法工具做一系統(tǒng)梳理，請大家指正。
1 業(yè)務(wù)需求分析（Why）         
安世亞太公司通過總結(jié)提煉中國工業(yè)化進程中的各行業(yè)復(fù)雜產(chǎn)品研發(fā)實踐經(jīng)驗，分析得出中國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的內(nèi)部困難、（兩大）核心問題和（六條）根本原因（圖1）[3]，并得到兩點認識：

新一輪科技革命產(chǎn)業(yè)革命下的創(chuàng)新商業(yè)模式是制造業(yè)成功轉(zhuǎn)型升級和提升企業(yè)自主創(chuàng)新能力的有力保障；

站在系統(tǒng)工程角度重新認識設(shè)計與制造的關(guān)系是制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級和現(xiàn)階段工業(yè)化補課的切入點和突破口。




在《為什么工業(yè)再設(shè)計是現(xiàn)階段的突破口？——試論制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的路徑選擇》一文[2]中，筆者從技術(shù)經(jīng)濟學(xué)和創(chuàng)新動力學(xué)[7]的角度出發(fā)，認同符合科學(xué)發(fā)展觀的中國三階段創(chuàng)新路線圖應(yīng)該是“經(jīng)濟實力->技術(shù)實力->科技實力->科學(xué)實力”的可持續(xù)發(fā)展路徑，其基本戰(zhàn)略就是盡快擺脫山寨經(jīng)濟，循序漸進地向日、美、歐學(xué)習(xí)產(chǎn)品創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新和科學(xué)創(chuàng)新，使中國再次并且長期領(lǐng)先世界；三階段的劃分在時間上不是絕對的前后關(guān)系，而是三階段同時進行，但國家制定的發(fā)展戰(zhàn)略，應(yīng)在不同時期發(fā)展的重點有所不同而側(cè)重于某一個階段，以保證資源的最佳使用。同樣應(yīng)用技術(shù)經(jīng)濟學(xué)和創(chuàng)新動力學(xué)的原理，筆者認為，工業(yè)化和信息化是綱與目的關(guān)系（圖2），工業(yè)化是信息化的根基源泉前提和基礎(chǔ)，是比信息化更大的系統(tǒng)工程，相比信息化更是短板，在相當(dāng)長的歷史時期內(nèi)都具有升級空間；現(xiàn)階段推進兩化深度融合的主要矛盾是工業(yè)化落后于信息化的發(fā)展；矛盾的主要方面是針對工業(yè)化的具體問題和需求，如何利用信息化的方法手段工具去促進升級，而不是盲目追求信息化自身的跨越式發(fā)展[2]。


圖2將TRIZ理論的技術(shù)系統(tǒng)完備性模型分為信息層面和非信息的物理對象事物層面。這一劃分恰好與專利法中發(fā)明專利對方法和裝置的劃分相對應(yīng)。而且，筆者認為，鐘義信教授給出的信息的兩個定義（某個事物的本體論信息，就是這個事物關(guān)于自身運動狀態(tài)及其變化方式的自我表述；某個主體關(guān)于某個事物的認識論信息，就是這個主體關(guān)于該事物的運動狀態(tài)及其變化方式的形式、含義和價值的表述）從另一側(cè)面說明了信息對非信息的物理對象的從屬關(guān)系。

站在制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的全局宏觀角度，用經(jīng)濟學(xué)方法（如邊際效用和比較優(yōu)勢原理）分析可以得出，現(xiàn)階段大概率成功的商業(yè)模式應(yīng)該落腳在產(chǎn)品的工業(yè)化創(chuàng)新。一個現(xiàn)實的例子是，經(jīng)過二十多年的努力，國產(chǎn)工業(yè)軟件的商業(yè)成功乏善可陳，工業(yè)產(chǎn)品研發(fā)創(chuàng)新所需的各種軟件工具和平臺（CAx/PDM/ERP等）的市場絕大部分為國外軟件巨頭把持，而且短期內(nèi)看不到改變這一現(xiàn)狀的趨勢和內(nèi)在動因；而在工業(yè)品研發(fā)應(yīng)用領(lǐng)域，已有個別行業(yè)的復(fù)雜產(chǎn)品、裝備和重大工程，我國已逐步趕超國外處于世界領(lǐng)先地位。

要想實現(xiàn)制造業(yè)整體轉(zhuǎn)型升級和工業(yè)體系的全面趕超，不可能再依靠勞動力成本的比較優(yōu)勢構(gòu)成的“第一種機會窗口”，而只能靠處于醞釀階段的新技術(shù)革命所提供的“第二種機會窗口”（圖3）。這時，雖然新技術(shù)體系的大量突破最初出現(xiàn)在發(fā)達國家，但由于其技術(shù)體系處于早期階段，技術(shù)成熟度和科技知識意會程度較低，如果后發(fā)國家能以創(chuàng)新商業(yè)模式和關(guān)鍵點上的核心技術(shù)突破在這個階段快速進入新技術(shù)體系，同時在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域面對的是發(fā)達國家已經(jīng)打通了的確定技術(shù)路線，進而節(jié)約大量試錯成本，后發(fā)國家將有可能和發(fā)達國家站在同一起跑線；而發(fā)達國家有可能受困于舊技術(shù)體系范式的鎖定效應(yīng)，某些新興后發(fā)國家由于沒有沉沒成本和技術(shù)鎖定的路徑依賴，有可能比發(fā)達國家更適應(yīng)新技術(shù)經(jīng)濟范式的要求，甚至取代先行者的技術(shù)和制度領(lǐng)導(dǎo)地位，從而實現(xiàn)跨越式發(fā)展。這也是所謂換道超車的題中之義。對于后發(fā)國家，在新技術(shù)革命提供的“第二種機會窗口”期，不僅要致力于傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的補課，而且要努力實現(xiàn)在新興產(chǎn)業(yè)的趕超。


什么樣的創(chuàng)新商業(yè)模式才能滿足“第二種機會窗口”下成功進行換道超車的要求？首先，轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵在于價值創(chuàng)新，為整個產(chǎn)業(yè)鏈賦予新的價值，沒有價值創(chuàng)新，就沒有可持續(xù)發(fā)展的商業(yè)模式，轉(zhuǎn)型只能淪為轉(zhuǎn)行。其次，要有全球化的視野。清華大學(xué)魏杰教授2017年初提出，第三次全球化是技術(shù)、市場、資金、勞動力這些價值資源的全球配置（第一次全球化是領(lǐng)土的全球開發(fā)，第二次是全球貿(mào)易）。那么，新一輪科技革命產(chǎn)業(yè)革命下的創(chuàng)新商業(yè)模式也必須是基于技術(shù)、市場、資金、人才、政府這些價值資源進行全局優(yōu)化配置的商業(yè)模式，新一輪科技革命產(chǎn)業(yè)革命下轉(zhuǎn)型升級主體的制造業(yè)企業(yè)也必須采用基于可重構(gòu)的設(shè)計制造一體化的積木式的系統(tǒng)級或體系級集成創(chuàng)新的商業(yè)模式（圖4）。


明晰對創(chuàng)新商業(yè)模式的要求后，如何選擇切入點和突破口就成為制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵問題。這一切入點和突破口應(yīng)滿足如下原則和條件[2]：

回歸工業(yè)化（更確切地說是產(chǎn)業(yè)化）的本質(zhì)：為了人類文明的可持續(xù)發(fā)展，通過持續(xù)采用新技術(shù)和追求高效專業(yè)化組織，不斷提升以設(shè)計和制造活動為核心的物質(zhì)生產(chǎn)的理想度水平（理想度這一概念的解釋參見2.1.2節(jié)）。

主體性：真正讓企業(yè)成為創(chuàng)新主體和經(jīng)濟舞臺主角；

目的性：直面工業(yè)化需要補課、補短板的現(xiàn)實需求，提升那些無法逾越替代的工業(yè)化能力；

系統(tǒng)性：從工業(yè)化本質(zhì)出發(fā)進行目標分解，站在系統(tǒng)全局的高度重新認識設(shè)計與制造的關(guān)系：

      - 從系統(tǒng)工程角度把握整個產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計和制造過程，分析結(jié)構(gòu)與材料的關(guān)系，積極構(gòu)建綠色制造體系，破解綠色發(fā)展問題；

     - 配合現(xiàn)階段產(chǎn)品創(chuàng)新的需求，助力產(chǎn)品質(zhì)量問題的解決，加快提升產(chǎn)品質(zhì)量；

可持續(xù)性：第一步小步的改進和收益給企業(yè)帶來正反饋，使研發(fā)體系建設(shè)和核心競爭力培育進入滾雪球式發(fā)展的良性循環(huán)，從現(xiàn)有產(chǎn)品改進創(chuàng)新入手補工業(yè)化的短板，既獲得知其然知其所以然的知識，又獲得企業(yè)持續(xù)發(fā)展的經(jīng)濟實力和市場份額，然后激活研產(chǎn)學(xué)的技術(shù)創(chuàng)新，進而到學(xué)研產(chǎn)的科學(xué)創(chuàng)新，走上符合科學(xué)發(fā)展觀的可持續(xù)發(fā)展路徑；

可行性：不是需要大量科研和研發(fā)投入的原始創(chuàng)新，不是為了把科研投入變成論文和獲獎，而是為了把通過邁小步改進而實現(xiàn)工業(yè)化補課得到的知識變成企業(yè)效益，讓作為創(chuàng)新主體的企業(yè)快速得到收益；

基于上述分析，為應(yīng)對中國經(jīng)濟轉(zhuǎn)型升級過程中對自主創(chuàng)新的強烈需求，并為《中國制造2025》中的設(shè)計制造一體化提供可落地實施的解決方案，在為《中國制造2025》中的研發(fā)設(shè)計提供精益研發(fā)解決方案的基礎(chǔ)上，安世亞太公司正本清源，提出了基于正向設(shè)計和增材制造的高端研發(fā)與先進制造整體解決方案（圖5）。

2 術(shù)語定義（What）

作為在產(chǎn)品設(shè)計方法學(xué)和PLM領(lǐng)域內(nèi)極少見的不來源于西方發(fā)達國家、沒有直接對應(yīng)的英文術(shù)語、而具有鮮明中國特色、來源于中國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級和研發(fā)實踐的兩個術(shù)語，兩年來，隨著相關(guān)技術(shù)成熟度的提升、市場認知和客戶實踐的深入，“正向設(shè)計”和“工業(yè)再設(shè)計”的定義經(jīng)過細微的變動演化，目前已達到相對成熟穩(wěn)定的狀態(tài)，最新版定義如下。

【正向設(shè)計（systematic forward design; forward design solution system based on systems engineering methodologies）】

為迎接新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命帶來的機遇并應(yīng)對制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的挑戰(zhàn)，以系統(tǒng)工程的理論方法和過程模型為框架，以增材思維為代表的新技術(shù)體系為抓手，面向人工物理系統(tǒng)的改進設(shè)計、原創(chuàng)設(shè)計和技術(shù)研發(fā)等場景，可以借鑒逆向設(shè)計的方法手段消化吸收各種現(xiàn)有技術(shù)和成果，不以仿制抄襲山寨為手段和目的，來提升人工物理系統(tǒng)的設(shè)計制造一體化能力、企業(yè)自主創(chuàng)新能力乃至企業(yè)和社會可持續(xù)發(fā)展能力的設(shè)計活動、設(shè)計方法和解決方案咨詢體系。

【正向設(shè)計的簡版定義】

以系統(tǒng)工程為框架，以增材思維和技術(shù)為抓手，面向人工物理系統(tǒng)的改進設(shè)計、原創(chuàng)設(shè)計和技術(shù)研發(fā)，來提升人工物理系統(tǒng)的設(shè)計制造一體化能力、企業(yè)自主創(chuàng)新能力乃至企業(yè)和社會可持續(xù)發(fā)展能力的設(shè)計活動、方法和解決方案咨詢體系。

【工業(yè)再設(shè)計（redesign for industrial products）】

正向設(shè)計的業(yè)務(wù)場景之一。對于處于成熟期（技術(shù)系統(tǒng)進化S曲線的第三階段）的人工物理系統(tǒng)，不改變功能用途，站在系統(tǒng)的高度重新審視需求，按照價值、功能和能量的觀點，以效法自然的方式，利用計算機輔助創(chuàng)新、仿真優(yōu)化、增材制造、等材制造等突破性新技術(shù)、新工藝、新材料重新設(shè)計整個系統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計、材料設(shè)計和制造過程，實現(xiàn)重新設(shè)計后的人工物理系統(tǒng)的功能、結(jié)構(gòu)和材料在全生命期內(nèi)的最佳組合，使得該類人工物理系統(tǒng)沿S曲線的進化更接近自然賦予的極限。

2.1 內(nèi)涵

為什么要在“正向設(shè)計”的定義中對逆向設(shè)計采取兼收并蓄的包容態(tài)度，正向設(shè)計和逆向設(shè)計是什么關(guān)系？為什么在“正向設(shè)計”的定義中要強調(diào)“以系統(tǒng)工程為框架”、“以增材思維為代表的新技術(shù)體系為抓手”？為什么在“工業(yè)再設(shè)計”的定義中要提“價值、功能和能量的觀點”和“效法自然的方式”？讓我們回歸事情的本源和本質(zhì)，用系統(tǒng)和系統(tǒng)進化的觀點來思考“正向設(shè)計”和“工業(yè)再設(shè)計”的內(nèi)涵。

2.1.1 正向設(shè)計與逆向設(shè)計

回顧中國工業(yè)化進程中，復(fù)雜產(chǎn)品和裝備的研發(fā)模式從測繪仿制、到改進改型、再到自主研發(fā)由低端向高端演化的歷程，可以看出每個歷史時期的研發(fā)模式都可以說是正向設(shè)計和逆向設(shè)計混合應(yīng)用的模式，只不過各時期正向設(shè)計和逆向設(shè)計所占比重不同，逐步地由逆向設(shè)計占主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)檎�向設(shè)計占主導(dǎo)，而且伴隨這一過程，逆向設(shè)計和正向設(shè)計的能力成熟度水平也不斷提升。先看一下逆向設(shè)計能力成熟度水平的提升過程[3]。

基于“原準法”的測繪仿制是典型的逆向設(shè)計活動。特別是在早期裝備的測繪仿制過程中，存在大量的相對低水平的逆向設(shè)計活動（如圖6紅色箭頭所示），即僅由實物反推到圖紙、反推到設(shè)計，而無需反求到原始需求。在經(jīng)濟日益全球化、市場化的今天，測繪仿制已不可行、且沒必要。對于后發(fā)工業(yè)化國家來說，從引進消化吸收國外先進產(chǎn)品和技術(shù)、或從分析國內(nèi)外競爭對手的現(xiàn)有技術(shù)和產(chǎn)品開始，再到改進改型、再創(chuàng)新，是復(fù)雜工業(yè)品研發(fā)模式演進必不可少、不可逾越的歷史發(fā)展階段，其作用是站在前人或巨人的肩膀上，鍛煉研發(fā)隊伍，提升企業(yè)核心競爭力。


對于從國外花錢買產(chǎn)品圖紙和專利技術(shù)等知識產(chǎn)權(quán)的引進消化吸收，需要具體情況具體分析。對于只引進、沒有或很少花精力消化吸收，相當(dāng)于省卻了“原準法”開始階段低水平的逆向設(shè)計，說白了是半路起家、囫圇吞棗的抄，這只是沒走完正向設(shè)計的全過程全內(nèi)容的、低水平的正向設(shè)計。對于注重引進之后的消化吸收，由于和逃避技術(shù)風(fēng)險的“原準法”目的不同，這里一定包含了反推到需求的高水平的逆向設(shè)計活動（如圖6綠色箭頭所示）。


對于自主研發(fā)創(chuàng)新模式下的分析國內(nèi)外競爭對手的現(xiàn)有技術(shù)和產(chǎn)品，本質(zhì)上和引進消化吸收模式中的消化吸收是一致的，差別只是在，是否包括了研發(fā)最前端的市場需求和業(yè)務(wù)需求開發(fā)和分析。所以，現(xiàn)有技術(shù)分析（參見圖7泳道圖給出的示例流程）包含了比引進消化吸收更高水平的逆向設(shè)計活動（如圖6黃色箭頭所示），而且是在自主研發(fā)創(chuàng)新模式正向設(shè)計框架下的逆向設(shè)計。

由于系統(tǒng)工程是保證把復(fù)雜的事情做對、做好、做快的一套方法論，所以，對系統(tǒng)工程框架的依賴程度或者說對系統(tǒng)工程過程的符合程度，不但是衡量逆向設(shè)計能力成熟度的重要指標，更是衡量正向設(shè)計能力成熟度的重要指標。正向設(shè)計能力建設(shè)是一個長期、動態(tài)、系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和實踐的積累過程，兼收并蓄，綱舉目張，以系統(tǒng)工程為框架，以設(shè)計制造一體化為方向，從沒按系統(tǒng)工程過程的低水平“正向”設(shè)計，到系統(tǒng)工程過程模型方法指導(dǎo)的產(chǎn)品正向設(shè)計，再到系統(tǒng)工程過程模型方法指導(dǎo)的產(chǎn)品和工藝正向設(shè)計，最后到基于系統(tǒng)工程框架的、實現(xiàn)了（產(chǎn)品、材料、工藝）設(shè)計制造一體化的、整個產(chǎn)品系統(tǒng)全生命期的正向設(shè)計，最終完成由低端走向高端的正向設(shè)計能力成熟度提升全過程。

2.1.2 正向設(shè)計與增材制造

增材制造是指基于類似數(shù)學(xué)微積分的離散-堆積原理，由零件三維數(shù)據(jù)驅(qū)動和計算機自動控制實現(xiàn)精確可控的，逐層增加材料直接制造零件的數(shù)字制造技術(shù)。相比減材和等材制造，增材制造無模具、無工裝，但它絕不僅僅是一種新的制造加工工藝方法，而是新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命中將會改變?nèi)祟惿�產(chǎn)方式和生活方式的重要引擎和顛覆性技術(shù)體系。這種顛覆性體現(xiàn)在，除了這種新的制造工藝帶來的，可在一臺設(shè)備上快速精密制造出任意復(fù)雜形狀的零件，大幅度減少零件數(shù)目和加工工序、縮短加工周期、節(jié)省原材料、降低能耗等眾多好處外，更重要的是，它實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)設(shè)計、高性能材料制備、復(fù)雜構(gòu)件制造的一體化，并為宏觀上的結(jié)構(gòu)設(shè)計和微觀上的材料制備帶來革命性的變化：[11-15]

增材制造技術(shù)背后的增材思維是一場設(shè)計的革命，它完全打開了設(shè)計枷鎖，DFM（制造）、DFA（裝配）等基于減材制造的傳統(tǒng)設(shè)計方法少有用武之地，設(shè)計人員可以真正回歸用戶需求，進行面向功能的設(shè)計（DFF）或面向增材制造的設(shè)計（DFAM），按照價值、功能和能量的觀點，使設(shè)計與工藝、設(shè)計與制造之間不再是因果與順序關(guān)系而是互為激勵的活系統(tǒng)，以效法自然的方式實現(xiàn)大型/超大型構(gòu)件或結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、復(fù)雜/超復(fù)雜構(gòu)件或結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、多品種小批量個性化產(chǎn)品的低成本創(chuàng)新設(shè)計和快速制造，乃至創(chuàng)造超常結(jié)構(gòu)實現(xiàn)超常功能。

傳統(tǒng)制造工藝的焊接、熱處理、及鍍、噴、涂、氧化、化合、硬化等表面處理是用宏觀粗放的手段實現(xiàn)微觀材料特性的調(diào)整和變性。而增材制造是以精微材料為起點、以數(shù)字化控制為手段，創(chuàng)造性地實現(xiàn)了在零件制造過程的同時在制備材料（乃至將不同材料創(chuàng)造性地復(fù)合在一起，甚至合成出新材料）、制備材料的同時在制造零件。即將傳統(tǒng)上材料選擇制備和工藝加工的串行過程轉(zhuǎn)變?yōu)槌尚院统尚蔚牟⑿羞^程，從宏觀轉(zhuǎn)向微觀，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)力學(xué)與材料力學(xué)組合突破，提升對產(chǎn)品本身性能、對材料組織結(jié)構(gòu)和性能以及制造過程更為精密、精確的控制能力，實現(xiàn)高性能新材料數(shù)字化制備能力，特別是高性能非平衡材料、高活性難熔難加工材料、高性能梯度材料的制備，以及高性能材料多尺度復(fù)合制備和新材料/超材料制備。

可以預(yù)見，隨著3D打印技術(shù)規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，傳統(tǒng)的工藝流程、生產(chǎn)線、工廠模式、產(chǎn)業(yè)鏈組合都將面臨深度調(diào)整。按工業(yè)門類和產(chǎn)品種類劃分由專業(yè)化工廠組織工業(yè)品生產(chǎn)制造的壁壘將逐步消失，進而開啟端到端（客戶需求端到滿足客戶需求端）的時代：備品備件庫將逐步取消，現(xiàn)場制造與修復(fù)等等高效維修保障模式將成為主流，武器裝備的艦載式或戰(zhàn)場移動激光成形與修復(fù)系統(tǒng)、乃至太空制造正在逐步登上舞臺；基于工業(yè)云、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)的分布式制造、泛在制造、社會制造等近乎零邊際成本的生產(chǎn)模式將成為現(xiàn)實。

最后，作為制造技術(shù)大家庭的一名新成員，增材制造雖然是一種變革性的新技術(shù)，發(fā)展?jié)摿�巨大，但它仍然要與傳統(tǒng)制造技術(shù)相互補充，而不會顛覆取代傳統(tǒng)制造技術(shù)。人工物理系統(tǒng)的制造技術(shù)體系將迎來增材、等材、減材唇齒相依、工藝融合的新時代。

讓我們從TRIZ理論技術(shù)系統(tǒng)進化趨勢的視角審視以增材思維為代表的增材制造、仿生制造和微納制造等先進制造技術(shù)對傳統(tǒng)設(shè)計方法學(xué)和制造技術(shù)的顛覆性及其對新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命的推動作用。

根據(jù)TRIZ理論，技術(shù)系統(tǒng)（即人工物理系統(tǒng)）的進化遵循客觀規(guī)律（圖8），并以提高自身的理想度（即用盡可能少的資源實現(xiàn)盡可能多的有用功能）為進化目標，技術(shù)系統(tǒng)在進化過程中由于系統(tǒng)內(nèi)部各個子系統(tǒng)進化的不一致性會產(chǎn)生矛盾，需要人們利用現(xiàn)有資源不折中地解決矛盾，實現(xiàn)技術(shù)系統(tǒng)由結(jié)構(gòu)簡單-功能簡單、到結(jié)構(gòu)復(fù)雜-功能復(fù)雜、再到結(jié)構(gòu)簡單-功能復(fù)雜的不斷螺旋式上升的發(fā)展進化（圖9）[16]。




為了實現(xiàn)提高理想度這一技術(shù)系統(tǒng)進化的終極目標，人們通常會根據(jù)理想度的公式（理想度=有用功能之和/（有害作用之和+成本）），而采用不排除按常規(guī)折中的價值工程方法，諸如提高性能的同時降低成本等等；但TRIZ理論恰恰相反，TRIZ用毫不折中的“理想化最終結(jié)果（Ideal Final Result，簡稱IFR，意指不用任何物質(zhì)和能量資源、沒有任何成本地實現(xiàn)所需功能）”這一用來打破思維定勢的概念，鼓勵人們永無止境地去追求技術(shù)系統(tǒng)無窮大的理想度。TRIZ之父阿奇舒勒說：“理想化最終結(jié)果是所有可思議及不可思議的解中最好的，它仿佛是不存在的第六級水平的發(fā)明，它似乎是虛擬的、幻想的、奇異的”，但人類科技發(fā)展史卻不斷將這些科幻小說式的奇異幻想變成現(xiàn)實。

目前階段增材制造技術(shù)體系在研發(fā)應(yīng)用中遇到的困難和挑戰(zhàn)都將在技術(shù)系統(tǒng)進化中（如向超系統(tǒng)進化尋求工藝融合，向微觀進化尋求理想物質(zhì)）得到解決。

接下來讓我們用追求理想化最終結(jié)果、提高理技術(shù)系統(tǒng)理想度的進化思維來思考設(shè)計、制造和工業(yè)化的內(nèi)涵和本質(zhì)。

設(shè)計是人類為實現(xiàn)某種特定目的（即將客觀需求轉(zhuǎn)化為滿足該需求的人工系統(tǒng)，包括人工物理系統(tǒng)和人工抽象系統(tǒng)）而進行的創(chuàng)造性活動。需求是設(shè)計的源動力，設(shè)計的本質(zhì)是創(chuàng)新，是創(chuàng)造一種理想度更高的人類生存方式（包括生產(chǎn)、生活和交流方式），設(shè)計的最終目的是人、自然和社會這一復(fù)雜巨系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展和進化（圖10）。


狹義的制造是指通過人力、工具、機器、化學(xué)、配方或生物等方法將設(shè)計的結(jié)果進行制作或生產(chǎn)出滿足需求的人工物理系統(tǒng)，特別是將原材料批量地轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品。廣義的制造有時還包括前端的設(shè)計。但實際上，從兩者的定義可以看出，設(shè)計的內(nèi)涵更豐富，它不僅對接人工物理系統(tǒng)的制造，而且還包括了人工抽象系統(tǒng)的設(shè)計。

工業(yè)化（產(chǎn)業(yè)化）則是為了人類文明的可持續(xù)發(fā)展，通過持續(xù)采用新技術(shù)和追求高效專業(yè)化組織，不斷提升以設(shè)計和制造活動為核心的物質(zhì)生產(chǎn)的水平。

所以，不斷提高理想度的設(shè)計制造一體化是工業(yè)化（產(chǎn)業(yè)化）邁向理想化最終結(jié)果的必由之路，即從人類社會早期相當(dāng)長時間的手工作坊式的低水平的設(shè)計制造“一體化”（設(shè)計沒有成為獨立的技術(shù)或科學(xué)子系統(tǒng)，而只是制造過程的一部分），到分別開始于18世紀末第一次工業(yè)革命英國和19世紀末第二次工業(yè)革命德國美國的制造子系統(tǒng)和設(shè)計子系統(tǒng)之間的不均衡發(fā)展階段，再到發(fā)端于20世紀中葉直至今天的從傳統(tǒng)系統(tǒng)工程到現(xiàn)代系統(tǒng)工程（即基于模型的系統(tǒng)工程）對產(chǎn)品和系統(tǒng)全生命期管理在信息化層面的改造和提升[18]，然后到目前我們在工業(yè)化層面從宏觀流程到微觀機理徹底打通設(shè)計和制造間的禁錮壁壘和藩籬，最終邁向設(shè)計制造完全融合的更高級階段。杰里米·里夫金在《零邊際成本社會》一書中闡述了物聯(lián)網(wǎng)和增材制造等技術(shù)對人類社會的顛覆性影響，為這一理想度不斷提高的工業(yè)化歷史進程描繪了令人憧憬的協(xié)同共享時代的未來畫面。

對于設(shè)計技術(shù)子系統(tǒng)的發(fā)展進化，可以參照上文闡述的正向設(shè)計能力成熟度提升過程，其核心是產(chǎn)品、材料和工藝的一體化設(shè)計。

對于制造技術(shù)子系統(tǒng)的發(fā)展進化，從人類早期石器時代的原始減材制造，到青銅和鐵器時代的原始等材制造，再到近代發(fā)端于兩次工業(yè)革命開始的現(xiàn)代減材制造和等材制造并行發(fā)展的時期，然后到本世紀初開始進入工業(yè)應(yīng)用的增材制造時期，進而邁向以增材思維實現(xiàn)設(shè)計與制造融合并且增材、等材、減材、微納、仿生等制造唇齒相依工藝融合的新時代（圖11）。




鑒于工業(yè)化（產(chǎn)業(yè)化）->制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級->設(shè)計制造一體化->正向設(shè)計->增材思維和增材制造之間的目的手段關(guān)系，即“設(shè)計制造一體化”完全應(yīng)和了工業(yè)化（產(chǎn)業(yè)化）的本質(zhì)，基于增材思維的增材制造技術(shù)體系代表了人工物理系統(tǒng)由低級向高級的進化方向。所以，我們在“正向設(shè)計”的定義中強調(diào)“以增材思維和增材技術(shù)為抓手”，強調(diào)增材思維和技術(shù)是提升設(shè)計制造一體化能力的抓手，并將“提升人工物理系統(tǒng)的設(shè)計制造一體化能力”作為正向設(shè)計能力建設(shè)的三大目標之一。

2.1.3 工業(yè)再設(shè)計及工業(yè)再制造

作為正向設(shè)計的業(yè)務(wù)場景之一，工業(yè)再設(shè)計的定義中給出了具體的技術(shù)手段——“按照價值、功能和能量的觀點”、“以效法自然的方式”和“利用計算機輔助創(chuàng)新、仿真優(yōu)化、增材制造、等材制造等突破性新技術(shù)、新工藝、新材料重新設(shè)計......”。

價值的觀點，核心理念是TRIZ理論技術(shù)系統(tǒng)進化趨勢之首的提高理想度趨勢，方法工具包括TRIZ理論技術(shù)系統(tǒng)進化趨勢體系、價值工程以及TRL、MRL、IRL、SRL等各種成熟度評價方法。

功能的觀點，是工程實踐的基本觀點，處于人工物理系統(tǒng)本體模型的核心地位（圖12）。它不但是TRIZ理論和德語學(xué)派設(shè)計方法學(xué)所強調(diào)的觀點，是系統(tǒng)分析、物理效應(yīng)知識庫和技術(shù)創(chuàng)新解決方案知識庫的基石，也是世界各國公認的發(fā)明專利制度中專利分類、專利申請中的權(quán)利要求保護范圍策劃、專利審查的創(chuàng)造性判斷、專利糾紛中等同侵權(quán)判斷等共同采用的技術(shù)觀點。與功能觀點相對的是，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的觀點、領(lǐng)域或行業(yè)的觀點。功能觀點的優(yōu)勢在于，打破行業(yè)、學(xué)科領(lǐng)域和產(chǎn)品門類的思維定勢和壁壘，實現(xiàn)他山之石可以攻玉。在我們的整體解決方案中，功能的觀點也是基石之一，面向產(chǎn)品、材料和工藝一體化設(shè)計的功能本體模型如圖13所示。







能量的觀點，核心理念是面向可持續(xù)發(fā)展的目標，應(yīng)和生態(tài)設(shè)計和綠色制造的要求，提升人工物理系統(tǒng)中能量流的品質(zhì)，方法工具包括TRIZ理論技術(shù)系統(tǒng)進化趨勢中的流增強趨勢和能量傳遞趨勢，以及㶲分析等。

效法自然的方式，是指道法自然、向生物學(xué)習(xí)、向自然界學(xué)習(xí)，利用新穎的受生物啟發(fā)而來的合成策略和源于自然的仿生原理來設(shè)計超常結(jié)構(gòu)，合成有機、無機、有機-無機雜化結(jié)構(gòu)材料和功能材料（圖14，圖15）。正如TRIZ理論的物理效應(yīng)知識庫和技術(shù)創(chuàng)新解決方案知識庫是對人類工程實踐的科學(xué)總結(jié)；自古以來, 自然界同樣也是人類各種技術(shù)思想、工程原理及重大發(fā)明的源泉。大自然是人類偉大的老師，向自然學(xué)習(xí)是高水平的逆向設(shè)計（圖6）+正向設(shè)計，在這里，逆向設(shè)計（效法自然）同樣只是手段，正向設(shè)計是目的。






工業(yè)再設(shè)計定義中給出的這些技術(shù)手段同樣適用于正向設(shè)計。

如果說智能制造是兩化融合的主攻方向，綜合集成是企業(yè)信息化建設(shè)的主要內(nèi)容、是兩化融合的難點重點和突破點，那么可以說正向設(shè)計是制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的主攻方向、是實現(xiàn)《中國制造2025》三步規(guī)劃所需要找到、設(shè)計、踐行的適合未來長期可持續(xù)發(fā)展的最長一塊板、是企業(yè)核心競爭力建設(shè)的主要內(nèi)容，而工業(yè)再設(shè)計則是針對當(dāng)前最薄弱短板的應(yīng)急性行動、是現(xiàn)階段工業(yè)化補課的突破口、也是兩化融合針對生態(tài)設(shè)計和綠色制造的另一突破口。[2]

2017年11月初，工信部印發(fā)《高端智能再制造行動計劃（2018-2020年）》，要求深入落實《中國制造2025》，加快實施綠色制造，推動工業(yè)綠色發(fā)展，聚焦盾構(gòu)機、航空發(fā)動機與燃氣輪機、醫(yī)療影像設(shè)備、重型機床及油氣田裝備等關(guān)鍵件再制造，以及增材制造、特種材料、智能加工、無損檢測等綠色基礎(chǔ)共性技術(shù)在再制造領(lǐng)域的應(yīng)用。作為“以尺寸恢復(fù)和性能提升”為主要技術(shù)特征的機電產(chǎn)品資源化循環(huán)利用的中國特色再制造產(chǎn)業(yè)，可以認為是工業(yè)再設(shè)計的子集或業(yè)務(wù)場景之一，即不用計算機輔助創(chuàng)新和仿真優(yōu)化等設(shè)計技術(shù)，而只用增材制造等先進制造工藝實現(xiàn)對現(xiàn)有產(chǎn)品的尺寸恢復(fù)和性能提升。

增材制造等先進制造技術(shù)除了助力工業(yè)再制造，還可以應(yīng)用于以下場景，以滿足基于生態(tài)設(shè)計和綠色制造的可持續(xù)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟的大目標：(1) 通過改進產(chǎn)品維修性設(shè)計（Design for MRO）延長產(chǎn)品使用壽命；(2) 面向客戶裝配和材料回收的可拆卸設(shè)計（Design for Disassembly）；(3) 增材制造大規(guī)模定制條件下，在產(chǎn)品設(shè)計早期就檢核材料使用和報廢處理的面向回收再利用的設(shè)計（Design for Recycling）；(4) 面向新型復(fù)合材料和生物材料增材制造的材料回收和再利用；(5) 增材制造產(chǎn)業(yè)鏈內(nèi)的清潔能源開發(fā)和利用；等等。增材制造技術(shù)對于人類可持續(xù)發(fā)展和循環(huán)經(jīng)濟，機遇和挑戰(zhàn)并存，但機遇遠大于挑戰(zhàn)，所面臨的挑戰(zhàn)要站在生態(tài)鏈、產(chǎn)業(yè)鏈和產(chǎn)品全生命周期等全局和系統(tǒng)的高度加以解決。

2.2 外延

“正向設(shè)計”和“工業(yè)再設(shè)計”的適用對象從最初的復(fù)雜系統(tǒng)和產(chǎn)品拓展到現(xiàn)在的人工物理系統(tǒng)（即一定包含硬件的人工系統(tǒng)）（圖16），適用范圍從最初的產(chǎn)品設(shè)計拓展到現(xiàn)在的產(chǎn)品設(shè)計加環(huán)境設(shè)計（圖10）。這樣，與人類生產(chǎn)生活密切相關(guān)的醫(yī)療衛(wèi)生、文化創(chuàng)意、智能建筑、智慧城市等行業(yè)和領(lǐng)域被納入到“正向設(shè)計”和“工業(yè)再設(shè)計”的業(yè)務(wù)范圍。經(jīng)過這樣的外延拓展后，“正向設(shè)計”和“工業(yè)再設(shè)計”面向的業(yè)務(wù)領(lǐng)域和場景已拓展到人類工業(yè)化進程的核心——設(shè)計制造活動所指向的所有物質(zhì)生產(chǎn)。




關(guān)于正向設(shè)計和工業(yè)再設(shè)計之間的關(guān)系。從所覆蓋的業(yè)務(wù)范圍角度看，工業(yè)再設(shè)計是正向設(shè)計的一個子集（圖17、圖18），即在適應(yīng)基于MBSE新研發(fā)范式的精益研發(fā)三維系統(tǒng)工程模型框架[18, 23]中，正向設(shè)計活動充滿了整個三維空間，可以應(yīng)用于各種系統(tǒng)層次和系統(tǒng)的各個生命期階段的改進設(shè)計、原創(chuàng)設(shè)計和技術(shù)研發(fā)三大類業(yè)務(wù)場景；而工業(yè)再設(shè)計主要針對于成熟期的產(chǎn)品和系統(tǒng)的改進設(shè)計和重新設(shè)計。從工業(yè)化發(fā)展階段看，工業(yè)再設(shè)計適合作為中國現(xiàn)階段聚焦產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品創(chuàng)新的制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的切入點和突破口以及工業(yè)化補課式的解決方案；正向設(shè)計在發(fā)達國家是常識，在中國則需要從學(xué)術(shù)界到工業(yè)界重建正向設(shè)計的理論和實踐，而正向設(shè)計能力建設(shè)是一個長期、動態(tài)、系統(tǒng)的學(xué)習(xí)、實踐和能力成熟度提升過程。






3 體系架構(gòu)（How-1）

3.1 技術(shù)架構(gòu)和邏輯架構(gòu)

整體解決方案的技術(shù)架構(gòu)（圖19）參照了錢學(xué)森在系統(tǒng)觀點指導(dǎo)下1980年代初提出的“三個層次一座橋梁”的現(xiàn)代科學(xué)學(xué)科體系一般框架（圖20），包括：基礎(chǔ)學(xué)科層——系統(tǒng)工程、數(shù)學(xué)、物理學(xué)、材料學(xué)等，信息化使能環(huán)境——面向數(shù)字主線和數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)協(xié)同、基于大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)的云制造，技術(shù)學(xué)科層——TRIZ及技術(shù)創(chuàng)新和管理、拓撲優(yōu)化、工程仿真、知識工程，工程技術(shù)層——基于系統(tǒng)工程面向增材制造的產(chǎn)品材料工藝一體化設(shè)計方法學(xué)、及其流程體系組合配置而成的正向設(shè)計咨詢體系、先進制造工藝融合優(yōu)選咨詢體系、先進材料制備研備服務(wù)體系，工程實踐層——面向工業(yè)品的解決方案體系（如飛機、航空發(fā)動機、汽車、模具等）、面向產(chǎn)業(yè)鏈的解決方案體系（如創(chuàng)業(yè)者、消費者、醫(yī)療、高等教育和職業(yè)培訓(xùn)等公共事業(yè)、文創(chuàng)、建筑等）、面向工業(yè)化和信息化的產(chǎn)品體系（工藝和材料設(shè)備、軟件工具和平臺等）。









保證這一技術(shù)架構(gòu)有效運轉(zhuǎn)的整體解決方案的邏輯架構(gòu)如圖21所示，將按材料設(shè)計工藝制造專業(yè)劃分的線性一維樹狀組織架構(gòu)拓展為面向應(yīng)用和市場的主營業(yè)務(wù)和其他共性基礎(chǔ)業(yè)務(wù)構(gòu)成的二維矩陣式組織架構(gòu)。這一架構(gòu)既符合歐美先進企業(yè)研發(fā)模式，又與錢學(xué)森關(guān)于研究對象的學(xué)科和研究關(guān)系的學(xué)科共同織成一張科學(xué)的布的思想（圖22）相匹配。而且根據(jù)錢老這一思想，我們非常重視系統(tǒng)科學(xué)、系統(tǒng)工程和數(shù)學(xué)在整體解決方案中的骨干作用。




整體解決方案的邏輯架構(gòu)對技術(shù)架構(gòu)的保障和支撐如圖23所示。


3.2 流程體系

支撐“基于系統(tǒng)工程面向增材制造的產(chǎn)品材料工藝一體化設(shè)計方法學(xué)”的是一套系統(tǒng)化的正向設(shè)計流程體系，這套流程體系充滿了圖17所示正向設(shè)計三維空間各個維度、各個層次、各個角落。這套流程體系是基于系統(tǒng)工程的，即系統(tǒng)工程的技術(shù)過程域、技術(shù)管理過程域、協(xié)議過程域和組織項目使能過程域下的各個過程（圖24）將被應(yīng)用于這套正向設(shè)計流程體系。

3.2.1 系統(tǒng)維上的主流程

首先是系統(tǒng)維上的主流程，即系統(tǒng)生命期階段模型及其相關(guān)管理流程，保證組織做正確的事，這是面向外部客戶、聚焦在交付給客戶的產(chǎn)品或服務(wù)的物的維度。INCOSE新版系統(tǒng)工程手冊給出了來源于ISO/IEC/IEEE 15288、美國國防部裝備采辦綜合管理框架、NASA、美國能源部、典型高技術(shù)商用系統(tǒng)集成商、典型高技術(shù)商用系統(tǒng)制造商等生命期階段模型�？梢愿鶕�(jù)系統(tǒng)維上的研究對象類型（如技術(shù)、產(chǎn)品、解決方案、業(yè)務(wù)及其組合等）和系統(tǒng)層次（體系、系統(tǒng)、子系統(tǒng)、元器件/零部件等）的不同，選取或定制合適的生命期階段流程模板。圖24中除了組織項目使能過程域下的生命期模型管理過程外，該過程域下的組合管理過程和基礎(chǔ)設(shè)施管理過程，以及協(xié)議過程域下的采辦過程和供應(yīng)過程，共五個過程在系統(tǒng)維上。

圖25是以整體解決方案（組合了技術(shù)、產(chǎn)品、解決方案和業(yè)務(wù)）為研究對象，面向內(nèi)部業(yè)務(wù)運營的，從市場需求到技術(shù)研發(fā)、再到產(chǎn)品組合、最后到解決方案交付的業(yè)務(wù)運營閉環(huán)示意圖。圖26是業(yè)務(wù)需求開發(fā)、定義、追溯和解決方案開發(fā)、交付形成的閉環(huán)，相當(dāng)于是圖6的實體V模型（忽略圖中的紅綠黃逆向箭頭）以業(yè)務(wù)為研究對象、在圖17系統(tǒng)維上的實例化，也相當(dāng)于是圖25以業(yè)務(wù)需求和解決方案為視角的細化。圖27是INCOSE新版系統(tǒng)工程手冊中的業(yè)務(wù)或使命分析過程的輸入、輸出和活動列表，被整體解決方案采納為業(yè)務(wù)需求開發(fā)流程，是圖26的子流程。圖28是基于IPD方法的技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)品研發(fā)的集成管理框架，相當(dāng)于是圖25以技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)品開發(fā)為視角的細化。
















3.2.2 邏輯維上的輔流程

其次是邏輯維上的輔流程，即系統(tǒng)工程的核心過程，保證組織正確地做事，這是面向組織內(nèi)部、聚焦在系統(tǒng)工程過程執(zhí)行和管控的事的維度。圖24中的系統(tǒng)工程技術(shù)過程域下的14個過程和技術(shù)管理過程域中除信息管理外的七個過程，共21個過程在邏輯維上。圖6的實體V模型（忽略圖中的紅綠黃逆向箭頭）是將圖24系統(tǒng)工程技術(shù)過程域中的各個過程串起來的核心引擎流程，其中技術(shù)過程域的后三個過程（運行、維護、報廢）本身就是實體V模型的實例化應(yīng)用（圖29）。




由實體V模型在系統(tǒng)各個層次上的遞歸應(yīng)用構(gòu)成三維立體的雙V模型（圖30）。（實體）V模型不僅僅是掰彎了的瀑布模型或串行開發(fā)過程，根據(jù)TRIZ的一維變多維創(chuàng)新原理，增加一個維度意味著看待世界的視角完全改變，V的形狀非常準確地表示了從系統(tǒng)分解到集成活動的系統(tǒng)演進過程，使系統(tǒng)工程過程變得可視化、且易于管理�？紤]系統(tǒng)架構(gòu)和系統(tǒng)元素實體的并行開發(fā)而產(chǎn)生的雙V模型，二維變?nèi)�維、又增加了一個維度，體現(xiàn)了系統(tǒng)工程過程模型通過不斷向超系統(tǒng)進化而提高理想度的趨勢。除了在系統(tǒng)層次上的遞歸應(yīng)用外，雙V模型可以在可靠性、安全性、保障性等系統(tǒng)特性上進行實例化，也可應(yīng)用于新產(chǎn)品設(shè)計、現(xiàn)有產(chǎn)品改進（包括工業(yè)再設(shè)計）等正向設(shè)計所涉及的各種業(yè)務(wù)場景以及故障診斷排除等問題求解場景，還可以應(yīng)用于進化開發(fā)、增量開發(fā)等軟件開發(fā)模式[26]。同樣，無論是傳統(tǒng)的DFM/DFA，還是作為新范式重要組成部分的DFAM，以及面向生態(tài)設(shè)計和綠色制造的可持續(xù)設(shè)計（Design for Sustainability），它們都是實體V模型左半邊的需求輸入，以實體V模型和雙V模型為框架開展實際的產(chǎn)品研制，進而實現(xiàn)對實體V模型和雙V模型的實例化應(yīng)用（圖31）。






第2節(jié)“正向設(shè)計”定義中提到了正向設(shè)計的三大目標：(1) 提升人工物理系統(tǒng)的設(shè)計制造一體化能力，(2) 提升企業(yè)自主創(chuàng)新能力，(3) 提升企業(yè)和社會可持續(xù)發(fā)展能力。這三大目標呈遞進關(guān)系，最終服務(wù)于圖10所示的設(shè)計的最終目的——人、自然和社會這一復(fù)雜巨系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展和進化。所以，支撐“基于系統(tǒng)工程面向增材制造的產(chǎn)品材料工藝一體化設(shè)計方法學(xué)”的正向設(shè)計流程體系要反映和滿足正向設(shè)計三大目標按層次分解產(chǎn)生的業(yè)務(wù)場景和指標體系。例如，圖32是滿足可持續(xù)發(fā)展的頂層目標的循環(huán)經(jīng)濟模型，這樣的模型將為正向設(shè)計流程的應(yīng)用場景——生態(tài)設(shè)計和綠色制造最頂層的通用特性指標——可持續(xù)設(shè)計及其在2.1.3節(jié)最后提到的若干場景提供需求輸入。


面向增材制造的設(shè)計的總體流程如圖33所示。這一流程涵蓋了產(chǎn)品的需求分析、架構(gòu)設(shè)計、詳細設(shè)計等過程。在實際應(yīng)用時，需要將這一指導(dǎo)性流程與雙V模型的系統(tǒng)工程過程框架進行結(jié)合。圖34給出了基于德國標準機械產(chǎn)品系統(tǒng)化設(shè)計VDI 2221的面向增材制造的設(shè)計流程，可以認為這是圖33按VDI 2221在研發(fā)階段上的具體化。一般認為，VDI 2221是VDI 2206（機電產(chǎn)品設(shè)計方法學(xué)）的子集，而VDI 2206采納架構(gòu)V模型作為機電產(chǎn)品開發(fā)的流程框架（圖35）。設(shè)計方法學(xué)德語學(xué)派和美國系統(tǒng)工程界近半個世紀來在各自領(lǐng)域的工作和成就殊途同歸，使得基于模型的系統(tǒng)工程新范式成為復(fù)雜產(chǎn)品研制和全生命期管理的流程框架和信息化平臺的核心。

支撐上述面向增材制造設(shè)計頂層流程的是若干專業(yè)化子流程，如適用于工業(yè)再設(shè)計的零件合并和功能集成流程（圖36），基于微觀宏觀結(jié)構(gòu)建模和多目標優(yōu)化的工藝、材料、零件/產(chǎn)品并行設(shè)計，基于MBSE的系統(tǒng)建模、拓撲優(yōu)化及仿真和創(chuàng)成設(shè)計一體化流程（圖37），面向增材制造的創(chuàng)成設(shè)計流程（圖38）等。創(chuàng)成設(shè)計是用計算機算法和CAD軟件生成概念方案，進而為拓撲優(yōu)化提供輸入；它是增材思維、進而是正向設(shè)計/工業(yè)再設(shè)計的使能技術(shù)。目前的創(chuàng)成設(shè)計應(yīng)用熱點，除了與拓撲優(yōu)化的結(jié)合，還包括前端與MBSE的結(jié)合。


















3.2.3 認知維上的能力建設(shè)

最后是認知維上的能力建設(shè)，DIKW的認知流反映了人和組織智力層次結(jié)構(gòu)價值遞增的順序，記錄了主觀世界認識和改造客觀世界的認知過程和結(jié)果，這是關(guān)注組織自身成長的人的維度。這個維度既包括人工物理系統(tǒng)全生命期過程中產(chǎn)生的DIKW的管理和轉(zhuǎn)化躍遷，也包括個體和組織現(xiàn)有DIKW在人工物理系統(tǒng)全生命期中的應(yīng)用。個體和組織對人工物理系統(tǒng)的認識不斷深化、積累形成數(shù)據(jù)→信息→知識→智慧的認知流就是其自身的能力建設(shè)（圖39）。圖24中技術(shù)管理過程域下的信息管理過程，以及組織項目使能過程域下的知識管理過程、人力資源管理過程和質(zhì)量管理過程，共四個過程在認知維上。




在認知維上，DIKW框架、方法和工具可以按組織架構(gòu)應(yīng)用于不同層級，也可應(yīng)用于系統(tǒng)維和邏輯維上涉及圖24中系統(tǒng)工程技術(shù)管理過程域和組織項目使能過程域的各個過程，還可按照DIKW四個層次，應(yīng)用于工程海量數(shù)據(jù)、工業(yè)大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)等不同種類的數(shù)據(jù)整合、分析、挖掘、展示場景，應(yīng)用于產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)的管理、融合和協(xié)同，應(yīng)用于知識管理、知識工程、各種專業(yè)數(shù)據(jù)庫/知識庫建設(shè)，乃至應(yīng)用于集團企業(yè)的商業(yè)智能和戰(zhàn)略決策等。未來利用增材制造、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)實現(xiàn)的分布式制造、泛在制造、社會制造等近乎零邊際成本的生產(chǎn)模式將在DIKW框架下形成面向賽博物理社會空間的智慧經(jīng)濟。圖40給出了DIKW框架在生產(chǎn)制造領(lǐng)域的應(yīng)用示例。




相比以減材工藝為核心的傳統(tǒng)制造模式，以增材制造為核心的工藝融合和分布式云制造模式更需要DIKW框架和大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)方法工具的支持。圖41給出了面向增材制造的云設(shè)計制造模式下的數(shù)據(jù)層服務(wù)示例。



4 方法工具（How-2）

這里重點討論在圖19技術(shù)架構(gòu)中起共性基礎(chǔ)作用的若干方法工具。

4.1 系統(tǒng)思維

2.1.3節(jié)中提到的價值、功能、能量的觀點，以及列舉的一些方法工具，都是系統(tǒng)思維的具體應(yīng)用。這里再補充一點——層次的觀點，在系統(tǒng)工程叫層次：體系（SoS）-超系統(tǒng)-系統(tǒng)-子系統(tǒng)；在材料學(xué)科叫尺度：宏觀-介觀-微觀。層次的觀點是指，以關(guān)系為研究對象的學(xué)科（系統(tǒng)工程、數(shù)學(xué)），其方法工具可以跨層次應(yīng)用；以某類事物為研究對象的學(xué)科（物理、化學(xué)、材料等），其方法工具只能在某個尺度內(nèi)應(yīng)用（圖42）。



4.2 問題求解

問題求解的思維是貫穿整體解決方案各個層面、各個方向、各處細節(jié)的全局性的思維方法，其典型工具就是系統(tǒng)工程和TRIZ。系統(tǒng)工程是保證把復(fù)雜的事情做對、做好、做快的一套方法論，解決的是組織創(chuàng)造力的問題；TRIZ理論來自對人類已有技術(shù)創(chuàng)新發(fā)明成果的分析和提煉，解決的是個體創(chuàng)造力的問題。兩者都直面問題、采用系統(tǒng)化規(guī)范化的解題流程、并極具創(chuàng)新精神，在我們的整體解決方案中（以及其他眾多應(yīng)用場合），兩者互為補充、相得益彰（圖43、圖44）。



問題求解要和系統(tǒng)思維、數(shù)學(xué)思維結(jié)合在一起，樹立邊界意識和極限意識，為整體解決方案提供理論支撐。以人工智能為例，我們從整體解決方案的業(yè)務(wù)需求場景的現(xiàn)狀和未來出發(fā)，對AI技術(shù)進行冷靜客觀地分析（圖45），歡迎智能相關(guān)技術(shù)對整體解決方案的提升。


4.3 數(shù)據(jù)協(xié)同

正如圖2所示，按照TRIZ理論提高系統(tǒng)完備性趨勢和提高理想度趨勢的建議，增材制造、等材制造、仿生制造、微納制造和梯度材料、智能材料等新工藝、新材料、新技術(shù)要想走出象牙塔、取得工業(yè)應(yīng)用的規(guī)模和效益，還需要信息化方法手段的輔助支持。除了3.2節(jié)流程體系中涉及的各階段、各步驟所需的平臺和工具，更關(guān)鍵的是其中從微觀到宏觀與（產(chǎn)品、材料、工藝、檢測等）數(shù)據(jù)的產(chǎn)生、管理和協(xié)同相關(guān)的平臺和工具。這里重點討論與增材制造相關(guān)的數(shù)據(jù)管理和協(xié)同平臺。增材制造數(shù)字主線信息生成地圖如圖46所示。


由NIST起草、ASTM和ISO批準、美國增材制造創(chuàng)新研究院和ANSI發(fā)布的增材制造標準體系如圖47所示。STEP標準（ISO 10303）中新版AP242（基于受管模型的三維工程）和AP238（集成數(shù)控加工）也增強了對增材制造產(chǎn)品、工藝和加工數(shù)據(jù)表達的支持。

基于數(shù)字主線可實現(xiàn)增材制造過程的數(shù)字孿生（圖48），借助數(shù)字替身實踐TRIZ理論提到的增加可控性趨勢和提高系統(tǒng)完備性趨勢（圖8）。進而基于STEP/PLCS標準可實現(xiàn)分布式異地供應(yīng)鏈協(xié)同和增材減材等工藝融合的云制造模式（圖49）。






5 結(jié)論

提高理想度水平是一切人工物理系統(tǒng)及其相關(guān)的人類設(shè)計、制造乃至工業(yè)化產(chǎn)業(yè)化活動的進化目標。無論是正向設(shè)計，還是整體解決方案（圖50），都是如此。


新版系統(tǒng)工程手冊在提到enterprise這一概念時提到兩個必要條件，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.

這兩個條件換成中文就是：創(chuàng)造價值，成就他人，同時成為更好的自己。這也是enterprise當(dāng)作組織理解時的本質(zhì)，即創(chuàng)業(yè)+創(chuàng)新�；�于正向設(shè)計和增材制造的高端研發(fā)與先進制造整體解決方案就是我們對“弘揚精益精神，創(chuàng)造智慧工業(yè)”這一初心和愿景的最新詮釋。

增材制造與傳統(tǒng)制造的關(guān)系，可以類比為經(jīng)典物理和原子物理的關(guān)系，增材制造未來的發(fā)展也必定像原子物理、量子物理一樣有著廣闊而深遠的前景。基于增材思維的先進制造技術(shù)體系正是中國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的“第二種機會窗口”，使得我們有可能換道超車。增材思維是一場回歸設(shè)計本質(zhì)、打破思維定勢、釋放設(shè)計自由度和激發(fā)創(chuàng)造力的革命；這場革命不僅是制造的革命，更是設(shè)計的革命，針對的不僅是產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計人員，而是廣泛大眾；這場革命將為各層次各領(lǐng)域的創(chuàng)造力教育和工程教育帶來革命性的變化；進而倒逼拿來主義畏于創(chuàng)新的保守心態(tài)的改變，為重建基于系統(tǒng)工程的正向設(shè)計理論與實踐掃清文化心理障礙，并提供源源不斷的后備人才。

整體解決方案脫胎于資源全局優(yōu)化配置的創(chuàng)新商業(yè)模式，為《中國制造2025》中的設(shè)計制造一體化提供可落地實施的解決方案（圖51），既包括現(xiàn)階段聚焦產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品創(chuàng)新的制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的切入點和突破口以及工業(yè)化補課式的解決方案——工業(yè)再設(shè)計，也包括從學(xué)術(shù)界到工業(yè)界長期、動態(tài)、系統(tǒng)化地重建正向設(shè)計的理論和實踐，從而全面提升人工物理系統(tǒng)的設(shè)計制造一體化能力和企業(yè)自主創(chuàng)新能力，為制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的換道超車提供成功保障（圖52）。



來源： 安世亞太
作者：段海波