研发数字化转型第二跳：正向变革

2024-5-20

导读

INTRODUCTION

在《研发数字化转型三级跳》一文中，我们将研发数字化转型建设路线规划为“三级跳”，正向变革是第二跳，这一跳的目标是让设计范式从逆向工程走向正向设计。

文章信息

本文作者：田锋，《踏雪论坛》创始人、安世亚太高级副总裁、北京市综合仿真实验室主任、工业软件中心主任、数字孪生体实验室主任。

拥有二十多年研发、技术、管理与咨询经历，为近百家企业提供研发体系规划、建设和研发信息化咨询，是中国航空三大主机所、船舶工业某研究院、中国中车等企业的精益研发、知识工程、仿真体系建设项目总设计师，著有工业与智能制造热门图书《精益研发2.0》、《知识工程2.0》、《制造业知识工程》和《苦旅寻真》。

为什么需要正向变革？

中国已经进入中等收入社会，要素驱动向创新驱动转变是跨越“中等收入陷阱”的必由之路，因此，以研发创新为使命的正向设计势在必行。无论是国家宏观层面、行业（集团）细观层面还是企业微观层面，迫切需要从跟踪仿制向自主创新转变，在核心技术上实现独立也是工业产业和军事安全的根本保障。“坚持把创新摆在制造业发展全局的核心位置，走创新驱动的发展道路”，已确定为我国的一项国策。

跟随仿制模式已经完成了历史使命，逐渐成为企业发展的瓶颈。但目前，我国大多数工业企业只具备逆向设计（即模仿）能力。设计过程从测绘、复原和仿制的物理设计开始，没有经历过产品正向设计中的需求定义、功能分解、系统综合等真正决定产品功能和性能的重要阶段。而跟踪研仿最多只能研制出最好的二流产品。

相比欧美发达国家，中国还仅仅是制造大国而非制造强国。强国战略要求企业从数量大、质量不高、科技含量不高的低端制造向高技术附加值的高端制造发展，要求企业实施精品战略，研制一流产品。唯有自主创新才能超越对手，自主创新的关键就是要建立基于系统工程的正向设计体系。

正向变革的核心和本质

正向设计阶段是研发模式进行精益转型后，企业的主要矛盾发生变化，从研发模式的低效和资源松散转变为创新模式和技术能力的缺乏，本阶段亟需创立正向模式，补强创新能力。

正向设计的主驱动力是模型。模型让研发全过程可以在数字化平台中完成，不需要离开数字世界。在消除二义性、减少质量隐患、高效协同和积累成果方面，这种模式都有无与伦比的优势。

正向变革阶段的核心手段是模型工程，对模型的规范化开发、集成和应用，一直贯穿其始终。正向变革的过程就是由一系列基于模型的工程构成。模型积累越多，正向模式越强壮。每个阶段的模型可以有不同特征，但模型间的逻辑关系和换算关系必须是完整和全息的。这种模式需要预先一次性完整定义全生命周期的数据结构和表达模型，并体现各阶段和各维度的所有数据的特征。不同阶段和不同维度的模型是完整模型的一个子集。

正向变革的本质其实是研发知识利用方式的第二次转型——治化，通过模型化过程对产品知识进行严格治理，将其浓缩凝聚在一起，形成更为逻辑化和自动化的知识。

正向设计、逆向工程及正向五能级

在此前的文章中，我们讨论了正向设计和逆向工程的重大差异，并指出正向设计的五个能级。

正向设计表现为一个完整的“V”字模型，从涉众需求开始，经过需求定义、功能分解、系统综合、物理设计、工艺设计、产品试制、部件验证、系统集成、系统验证、系统确认、产品验收全过程，完全用数字化模型表达产品的所有信息。如图1（左）所示。

但通常来说，企业发展历程都会经历一个逆向工程过程。产品设计起始点不是涉众需求，而是从V模型中间某个点开始。“物理设计”是中国企业的常见起点。本模式仿照已经存在的产品，完成图纸绘制，进入试制和验证各阶段，完成产品交付或推向市场。V模型的右边出现问题时，由于没有左边可对应，所以只能回溯到前一阶段查询和解决问题。当回溯到物理设计阶段仍然解决不了问题时，那就成为永远的问题。清醒的企业会有意识地“补课”，研究物理设计之前的各个过程，以图追溯和还原仿制对象的本源。当然，这样只能还原部分本源。以上过程我们称为“逆向工程”，如图1（右）所示。

图1 基于V模型的正向设计和逆向工程

逆向工程只能让我们知其然但不知其所以然，正向设计才能让我们知其然并知其所以然。

依据产品设计的起点可以评判一家企业的设计能力。从V模型的哪个阶段入手设计产品，基本可以断定该企业的设计能力就是这个起点所对应的能级。这样，可以把企业设计能级（成熟度）分为五级：仿制级、逆向级、系统级、正向级和自由级，如图2所示。

图2 设计入手点决定企业能级高低

一家企业的设计能级不应该取决于其产品看上去的复杂度，或者企业的产值大小，或者人员数量和学历的高低，而是应该取决于其设计的入手点。这一般可以通过其产品所涉及的图纸来做出判断。如果其产品图纸只有工程图（二维图纸或者三维CAD模型），那基本可以认为是逆向级，如果具有完备系统设计图、系统架构图，基本可以判断为正向级。如果具有完备的技术需求及指标体系分解树，甚至可以用需求模型图来表达技术需求，基本可以认为到达自由级。

正向设计体系的建立

在正向设计体系建设过程中，将利用先进的创新方法、设计和仿真技术提升产品的性能，实现从跟踪研仿向自主创新的转变。正如前文所言，正向变革的驱动力是模型，模型工程是其核心手段。正向变革的过程就是一系列基于模型的工程的执行过程，如图3所示。

图3 正向变革中的基于模型的工程

1)基于模型的系统工程（MBSE）

系统设计与仿真是其核心技术，打造从需求出发的基于模型的系统设计体系和能力，可以基于模型完成需求定义与指标分析、逻辑分解与功能分析、系统综合和架构设计以及系统仿真等工作。建立基于MBSE的系统开发体系，构建一个基于模型的系统研制环境，解决以前基于文档的落后设计模式所存在的各种问题。

2)基于模型的物理设计与仿真

CAD和CAE是其核心，使用图形学技术进行几何建模是CAD的基本过程。利用网格技术进行符合物理学原理的模型化是工程仿真（CAE）过程的基本过程。当然，仿真过程的复杂性，需要建立综合仿真能力体系，以实现仿真驱动研发的理想，包括建立仿真流程模型、制定模型化标准、开发基于模型的仿真平台等。

3)基于模型的定义（MBD）

传统的产品定义技术主要以工程图为主，通过专业的绘图反映出产品的几何结构及制造要求，实现设计和制造信息的共享与传递。基于模型的定义（MBD: Model Based Defination）以全新的方式定义产品，改变了传统的信息授权模式。它以三维产品模型为核心，将产品设计信息与制造要求共同定义到该数字化模型中，通过对三维产品制造信息和非几何管理信息的定义，实现更高层次的设计制造一体化。

4)基于模型的数字化制造

增材制造（又称3D打印）是数字化制造的基本技术，是以数字模型为基础，将材料逐层堆积制造出实体物品的新兴制造技术，将对传统的工艺流程、生产线、工厂模式、产业链组合产生深刻影响，是制造业有代表性的颠覆性技术。增材制造（3D打印）技术作为具有前沿性、先导性的新兴智能制造技术，正在使传统生产方式和生产工艺发生深刻变革，被认为是推动新一轮工业革命的原动力，引起了世界各国的广泛关注。

5)基于模型的数字化试验

包括实物试验管理和数字试验体系。试验管理是对实物试验过程和数据的管理，强调对试验数据资产的保护。数字试验是用数字模型和仿真手段提升试验的有效性，促进实物试验的规划、目标设计、过程设计、过程操作和结果分析，将试验扩展到实物试验所不能达到的范围。

6)基于模型的产品平台

产品平台是企业的系列产品所采用的共同技术要素的集合。这些共同要素也称通用模块或模块（CBB：Common Building Block），包括共用的系统架构、子系统、模块/组件、关键零件、核心技术等等。产品平台可以帮助企业实现快速产品设计，并促进核心技术持续提升。