數(shù)字化時(shí)代的正向研制
本文首先針對(duì)中國(guó)新工業(yè)體系建設(shè)過(guò)程中遇到的若干問(wèn)題，指出了正向設(shè)計(jì)和數(shù)字化的重要性，然后就這若干問(wèn)題提出數(shù)字化時(shí)代的正向研制體系，并將這個(gè)體系的三個(gè)核心體系——工業(yè)軟件、增材制造以及工業(yè)互聯(lián)——進(jìn)行了綜述性說(shuō)明，最后，對(duì)這三個(gè)核心體系總結(jié)歸納而成的數(shù)字孿生體系進(jìn)行了討論。
“數(shù)字化時(shí)代的正向研制”體系是針對(duì)中國(guó)新工業(yè)體系建設(shè)中遇到的若干問(wèn)題展開(kāi)的研究成果而形成的技術(shù)體系的總結(jié)。這些問(wèn)題包括：
?????正向設(shè)計(jì)思維缺失，系統(tǒng)化方法和支撐技術(shù)缺乏；
?????工業(yè)軟件無(wú)序，沒(méi)有以正向設(shè)計(jì)為導(dǎo)向?qū)嵤?yīng)用；
?????設(shè)計(jì)制造割裂，舊研制模式成為正向設(shè)計(jì)的制約；
?????數(shù)字化研制技術(shù)應(yīng)用范圍有限，未廣泛賦能工業(yè)；
?????數(shù)字化技術(shù)豐富但分散，沒(méi)有形成聚合賦能力量。
總結(jié)來(lái)說(shuō)，這些問(wèn)題包括兩個(gè)關(guān)鍵詞，第一個(gè)詞是“正向設(shè)計(jì)”，第二個(gè)詞是“數(shù)字化”。
之所以關(guān)注“正向設(shè)計(jì)”，是因?yàn)槲覀冏⒁獾?，中?guó)工業(yè)長(zhǎng)期的跟蹤仿制所遺留下一個(gè)嚴(yán)重后遺癥，那就是中國(guó)工業(yè)在轉(zhuǎn)型升級(jí)過(guò)程中，一直缺乏正向設(shè)計(jì)思維，也缺少系統(tǒng)化的方法和完整的工具體系來(lái)支撐。這導(dǎo)致我們的工業(yè)軟件的應(yīng)用是無(wú)序的，沒(méi)有以正向設(shè)計(jì)為導(dǎo)向來(lái)加以應(yīng)用，所以工業(yè)軟件對(duì)正向設(shè)計(jì)的促進(jìn)作用沒(méi)顯現(xiàn)出來(lái)。另外，設(shè)計(jì)與制造的割裂導(dǎo)致的問(wèn)題，舊制造體系，特別是減材制造方式，加劇了對(duì)正向設(shè)計(jì)的制約，在我們從逆向工程向正向設(shè)計(jì)的突破努力過(guò)程中有意無(wú)意地拖了后腿。
兩個(gè)關(guān)鍵詞中的另一個(gè)是“數(shù)字化”?，F(xiàn)在，雖然數(shù)字化技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到較高的程度，但在中國(guó)工業(yè)體系中只有少數(shù)大型企業(yè)得到一定應(yīng)用，沒(méi)有在更為廣泛的企業(yè)，特別是中小企業(yè)沒(méi)有得到普遍應(yīng)用。另外，數(shù)字化技術(shù)越來(lái)越豐富，但弊端是供應(yīng)商越來(lái)越多，技術(shù)越來(lái)越分散，沒(méi)有形成聚合方式來(lái)為企業(yè)賦能，所以企業(yè)并沒(méi)在數(shù)字化技術(shù)豐富的過(guò)程中獲得相應(yīng)的好處。
圖1. ? 數(shù)字化時(shí)代的正向研制體系
“數(shù)字化時(shí)代的正向研制”體系從三個(gè)相關(guān)分體系入手，來(lái)試圖在一定程度上解決這些問(wèn)題。這三個(gè)分體系分別是工業(yè)軟件、增材制造和工業(yè)互聯(lián)。圍繞“正向設(shè)計(jì)”和“數(shù)字化”這兩個(gè)關(guān)鍵詞，每個(gè)分體系都具有不同的價(jià)值。譬如工業(yè)軟件的價(jià)值是“支撐正向設(shè)計(jì)的數(shù)字化研發(fā)”，增材制造的價(jià)值是“基于正向設(shè)計(jì)的數(shù)字化制造”，而工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)則是“面向服務(wù)經(jīng)濟(jì)的數(shù)字化賦能”。這三個(gè)分體系通過(guò)一個(gè)綜合體系將他們聚合起來(lái)可產(chǎn)生綜合價(jià)值，那就是數(shù)字孿生體系，產(chǎn)生的綜合價(jià)值是“打造虛實(shí)共智的數(shù)字化業(yè)態(tài)”。
這四個(gè)分體系還有各自的子體系，譬如工業(yè)軟件體系包含技術(shù)創(chuàng)新、工業(yè)仿真和精益研發(fā)子體系，增材制造包括正向設(shè)計(jì)、高端裝備和新工業(yè)品子體系，工業(yè)互聯(lián)包括仿真生態(tài)、知識(shí)生態(tài)和增材生態(tài)子體系，數(shù)字孿生則包括孿生工業(yè)、孿生城市和孿生戰(zhàn)場(chǎng)子體系。
支撐正向設(shè)計(jì)的數(shù)字化研發(fā)
工業(yè)軟件體系包含三個(gè)子體系：設(shè)計(jì)創(chuàng)新、工業(yè)仿真和精益研發(fā)。這三個(gè)子體系與正向設(shè)計(jì)都有直接關(guān)系：設(shè)計(jì)創(chuàng)新是正向設(shè)計(jì)價(jià)值的倍增器，工業(yè)仿真則是正向設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)體系，精益研發(fā)則是正向設(shè)計(jì)的保障體系。所以，我們將工業(yè)軟件體系稱為“支撐正向設(shè)計(jì)的數(shù)字化研發(fā)”。
正向設(shè)計(jì)
正向設(shè)計(jì)是針對(duì)逆向工程來(lái)說(shuō)的。如果一款產(chǎn)品是正向設(shè)計(jì)的，那么它的研發(fā)過(guò)程將是一個(gè)完整的V模型。這個(gè)模型有兩個(gè)特點(diǎn)，一個(gè)是設(shè)計(jì)起點(diǎn)比較高，從“涉眾需求”開(kāi)始，走完一個(gè)完整的“V”字。另一個(gè)特點(diǎn)是兩邊對(duì)稱，右邊出問(wèn)題了，到左邊相應(yīng)的位置找到解決方案。而逆向工程是一個(gè)跟蹤仿制的模型，不是一個(gè)完整的V模型，一般會(huì)缺少V字左邊的三個(gè)重要的子過(guò)程，使得設(shè)計(jì)入手點(diǎn)就比較低，一般是從“物理設(shè)計(jì)”入手。由于兩邊不對(duì)稱，所以右邊出現(xiàn)問(wèn)題的時(shí)候在左邊找不到對(duì)應(yīng)的過(guò)程，因而也無(wú)法徹底解決問(wèn)題。逆向工程由于缺少的三個(gè)重要子過(guò)程分別是需求、架構(gòu)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程，所以很難對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行大幅度創(chuàng)新。因此，只有正向設(shè)計(jì)體系才為我們提供架構(gòu)性和創(chuàng)新，再高超的仿制也只能產(chǎn)生二流產(chǎn)品。
圖2 正向設(shè)計(jì)與逆向工程
設(shè)計(jì)創(chuàng)新
正向設(shè)計(jì)雖然提供了架構(gòu)性和創(chuàng)新的基礎(chǔ)，但在整個(gè)正向設(shè)計(jì)過(guò)程中，有許多環(huán)節(jié)需要具體的創(chuàng)新措施來(lái)落地，譬如架構(gòu)創(chuàng)新、局部創(chuàng)新、工藝創(chuàng)新及集成創(chuàng)新等等。而設(shè)計(jì)創(chuàng)新方法論則提供了在整個(gè)研發(fā)周期的創(chuàng)新閉環(huán)。
設(shè)計(jì)創(chuàng)新體系是來(lái)自前蘇聯(lián)的一套體系，稱為T(mén)RIZ，是一套完整的技術(shù)創(chuàng)新方法論。據(jù)說(shuō)這套體系是前蘇聯(lián)與美國(guó)進(jìn)行科技競(jìng)賽的秘密武器，當(dāng)時(shí)因?yàn)檫@套體系的支撐，使得前蘇聯(lián)的工業(yè)創(chuàng)新速度和高度并不輸于美國(guó)。TRIZ體系的中心思想是“創(chuàng)新是有規(guī)律可循的，并是靈光一現(xiàn)的產(chǎn)物”。也就是說(shuō)，按照創(chuàng)新規(guī)律，任何人都可以創(chuàng)新，所以創(chuàng)新并不是聰明人的專利。我們以TRIZ體系為核心進(jìn)行的擴(kuò)展性研究，并進(jìn)行了工具軟件的開(kāi)發(fā)，形成了一系列“計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新”軟件。
圖3 設(shè)計(jì)創(chuàng)新方法論提供了在整個(gè)研發(fā)周期的創(chuàng)新閉環(huán)
工業(yè)仿真
工業(yè)仿真的本質(zhì)是對(duì)正向設(shè)計(jì)的確認(rèn)。在正向設(shè)計(jì)模型中，V的左半邊是設(shè)計(jì)過(guò)程，右半邊實(shí)際上是對(duì)左半邊的確認(rèn)，這種確認(rèn)是基于實(shí)物的確認(rèn)。但在正向設(shè)計(jì)的前期并沒(méi)有實(shí)物樣機(jī)產(chǎn)生，所以對(duì)設(shè)計(jì)的確認(rèn)只能在計(jì)算機(jī)中虛擬進(jìn)行，所以正向設(shè)計(jì)每完成一個(gè)子過(guò)程，就會(huì)有一次仿真過(guò)程，這樣會(huì)形成一個(gè)多V模型。對(duì)仿真有一定程度的了解的人都覺(jué)得仿真的類型好豐富，構(gòu)成好復(fù)雜，其實(shí)，從正向設(shè)計(jì)模型來(lái)解讀時(shí)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)仿真的類型其實(shí)是比較有限的，是對(duì)正向設(shè)計(jì)的不同子過(guò)程的確認(rèn)類型決定了仿真的類型，包括指標(biāo)分析、功能分析、系統(tǒng)仿真、物理仿真、制造仿真等。多V模式讓我們得到一個(gè)形象的結(jié)論：仿真是正向設(shè)計(jì)的核心，這個(gè)結(jié)論從實(shí)踐上也證明是如此。
圖4 工業(yè)仿真的本質(zhì)是對(duì)正向設(shè)計(jì)的確認(rèn)
這個(gè)結(jié)論的另一個(gè)表述方式是仿真驅(qū)動(dòng)研發(fā)，或者說(shuō)仿真驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品正向設(shè)計(jì)。圖5的下半部分表示了1990年代的產(chǎn)品設(shè)計(jì)模式，那是試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的時(shí)代。當(dāng)時(shí)仿真技術(shù)和軟件還很弱，只能對(duì)物理試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析，所以無(wú)法真正驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)。圖5的上半部分則代表了當(dāng)今世界的產(chǎn)品研發(fā)模式，稱為“仿真驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)”。在這個(gè)模式中，產(chǎn)品概念一旦產(chǎn)生，并不需要進(jìn)行物理樣機(jī)的制造和試驗(yàn)，只需要在計(jì)算機(jī)中對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化。經(jīng)過(guò)多輪迭代，直到滿意為止，然后才進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。很多情況下都不需要進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，直接就制造和大批量生產(chǎn)。這就是仿真體系所帶來(lái)的巨大價(jià)值?？梢哉f(shuō)，因?yàn)榉抡婕夹g(shù)的進(jìn)步，使得產(chǎn)品正向設(shè)計(jì)才能真正順利實(shí)現(xiàn)。
圖5 仿真驅(qū)動(dòng)正向設(shè)計(jì)
精益研發(fā)
工業(yè)軟件體系的第三個(gè)子體系是精益研發(fā)，這個(gè)體系其實(shí)是對(duì)正向設(shè)計(jì)體系進(jìn)行多個(gè)擴(kuò)展后，最終形成的一個(gè)復(fù)雜研發(fā)模型。這個(gè)模型中除了正向設(shè)計(jì)的V模型和仿真核心之外，還有管理、資源、協(xié)同和共享等子體系，我們把這個(gè)完整模型稱為精益研發(fā)理想模型。模型中的其他體系其實(shí)本質(zhì)上都是為正向設(shè)計(jì)保駕護(hù)航的，正向設(shè)計(jì)既是精益研發(fā)的核心，又是精益研發(fā)的保障對(duì)象。作為一個(gè)復(fù)雜體系，精益研發(fā)體系還可以細(xì)分成多個(gè)子體系，譬如需求工程、綜合仿真、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟件工程、知識(shí)工程、流程管理、項(xiàng)目管理、虛擬試驗(yàn)、質(zhì)量管理、數(shù)字制造、產(chǎn)品平臺(tái)、智能協(xié)同、資源共享等等。
圖6 精益研發(fā)為正向設(shè)計(jì)保駕護(hù)航
▌增材制造——
基于正向設(shè)計(jì)的數(shù)字化制造
增材制造分體系包括三個(gè)子體系，分別是正向設(shè)計(jì)、高端裝備和新工業(yè)品。我們把正向設(shè)計(jì)定義為增材制造體系中的一個(gè)子體系，是因?yàn)樵霾闹圃旖^不僅僅是提供了一種新的制造方式，而是提供了一種突破傳統(tǒng)工業(yè)體系的賦能技術(shù)，特別是對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有巨大影響，從而釋放工業(yè)品的無(wú)限創(chuàng)新潛力，讓全新型工業(yè)品的產(chǎn)生具有無(wú)限空間。
增材設(shè)計(jì)
圍繞正向設(shè)計(jì)，工業(yè)軟件和增材制造之間具有一種奇妙的哲學(xué)關(guān)系。以正向設(shè)計(jì)為核心和主線，工業(yè)軟件通過(guò)支撐正向設(shè)計(jì)，在全生命周期支撐增材制造過(guò)程的完成。在數(shù)字化的世界里，研發(fā)和制造不是先后串行和跟隨序貫關(guān)系，數(shù)字化研發(fā)和數(shù)字化制造之間是一種相生相長(zhǎng)、生生不息的特征，兩者之間在任何時(shí)候都是相輔相成、相互輸送價(jià)值的過(guò)程。
圖7 工業(yè)軟件、正向設(shè)計(jì)和增材制造之間相生相長(zhǎng)、生生不息的辯證關(guān)系
這種哲學(xué)關(guān)系的存在，是因?yàn)檎蛟O(shè)計(jì)與增材制造之間本身就也存在一種相互促進(jìn)的辯證關(guān)系。首先，正向設(shè)計(jì)所提供的架構(gòu)性創(chuàng)新釋放了增材制造的價(jià)值，因?yàn)閮?yōu)化和創(chuàng)新到理想設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)往往也是復(fù)雜至極的，而不怕復(fù)雜正是增材制造的優(yōu)勢(shì)所在。用增材制造技術(shù)加工傳統(tǒng)產(chǎn)品是一種浪費(fèi)，不僅不能反映增材制造這樣一個(gè)新技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，反倒會(huì)給人一種多此一舉的負(fù)面影響，讓人們看到的是這種技術(shù)在速度和成本上的劣勢(shì)。所以離開(kāi)了正向設(shè)計(jì)的增材制造就像鳥(niǎo)兒折去了翅膀。
反過(guò)來(lái)講，增材制造打通了正向設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)瓶頸。在過(guò)去，正向設(shè)計(jì)如果想順利走完全程，一直都忌憚?dòng)谝粋€(gè)關(guān)鍵過(guò)程，那就是工藝和制造過(guò)程。這個(gè)過(guò)程可能會(huì)對(duì)一個(gè)正向設(shè)計(jì)所產(chǎn)生的創(chuàng)新方案一票否決，理由就是你的產(chǎn)品是很創(chuàng)新，但我制造不出來(lái)。這往往會(huì)給設(shè)計(jì)人員一種懷才不遇的感覺(jué)。但是在增材制造時(shí)代，也就是數(shù)字化制造時(shí)代，不怕復(fù)雜，不論設(shè)計(jì)多么創(chuàng)新和復(fù)雜，都能制造出來(lái)。增材制造實(shí)際上賦予了正向設(shè)計(jì)無(wú)限自由，只需要從需求和功能出發(fā)來(lái)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，而不需要考慮制造的約束，可以放飛自我，進(jìn)行創(chuàng)新。因此，增材制造相當(dāng)于讓正向設(shè)計(jì)如虎添翼。
在增材正向設(shè)計(jì)中，有一些特別之處。第一項(xiàng)特別之處是創(chuàng)成式設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)方法不同于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，使用的工具軟件也不是傳統(tǒng)的CAD軟件。創(chuàng)成式設(shè)計(jì)方法發(fā)揮算法和人工智能的長(zhǎng)處，不需要人做過(guò)多干預(yù)，也不希望人做干預(yù)，因?yàn)槿说乃季S定式缺陷可能會(huì)妨礙設(shè)計(jì)創(chuàng)新。我們只需要提供必要的設(shè)計(jì)限制，其余的交給算法來(lái)創(chuàng)造。這種新型的設(shè)計(jì)方法雖然不能替代正向設(shè)計(jì)和創(chuàng)新，但它是對(duì)人們大腦和眼界給予大幅度擴(kuò)展。
圖8 增材正向設(shè)計(jì)中的特別要素
增材正向設(shè)計(jì)的第二項(xiàng)特別之處是多尺度仿真。仿真本身是正向設(shè)計(jì)中很正常的要求，特別是對(duì)于增材制造所提供的無(wú)限創(chuàng)新空間來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)本身是沒(méi)有規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的，因此仿真便成了最重要的工具，這也是為什么以仿真起家的安世亞太公司，雖然是增材制造領(lǐng)域的新進(jìn)入者，但卻具有領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)的原因。但在增材領(lǐng)域，仿真有個(gè)難題，那就是多尺度問(wèn)題。用增材思維來(lái)看傳統(tǒng)制造的產(chǎn)品，其特點(diǎn)是傻大笨粗?？梢钥隙ǖ卣f(shuō)，任何一款傳統(tǒng)制造產(chǎn)品都有50%甚至更多的材料是冗余的。自然界的生物經(jīng)過(guò)數(shù)億年的進(jìn)化，都把結(jié)構(gòu)優(yōu)化到極致，絕不會(huì)生長(zhǎng)一點(diǎn)多余的材料。這些結(jié)構(gòu)，譬如樹(shù)枝或樹(shù)葉，他們都是具有細(xì)小紋理的多孔結(jié)構(gòu)。在傳統(tǒng)制造世界，這種結(jié)構(gòu)模式是不可想象的，但在數(shù)字化制造（增材制造）世界是再正常不過(guò)。但對(duì)這種結(jié)構(gòu)的仿真難度很大。我們需要確認(rèn)宏觀結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)都是最優(yōu)的，但在當(dāng)前的仿真技術(shù)之下，兩種尺度的結(jié)構(gòu)不能在同一個(gè)模型中出現(xiàn)，但還要在不同的計(jì)算中傳承對(duì)方的計(jì)算結(jié)果。宏觀結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性需要根據(jù)微觀結(jié)構(gòu)來(lái)計(jì)算結(jié)果等效獲得，微觀結(jié)構(gòu)的計(jì)算則需要宏觀結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果作為輸入。這些關(guān)聯(lián)工作是增材仿真過(guò)程的重點(diǎn)。
在增材正向設(shè)計(jì)的第三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是架構(gòu)優(yōu)化，在其他領(lǐng)域稱為拓?fù)鋬?yōu)化，我更愿意將它稱為架構(gòu)優(yōu)化，因?yàn)樵谡蛟O(shè)計(jì)體系中，架構(gòu)的創(chuàng)新和優(yōu)化是首要工作。在架構(gòu)優(yōu)化中，我們并不需要對(duì)結(jié)構(gòu)的形式做限定，只需要給出結(jié)構(gòu)的受力和約束條件，軟件可以按照力的傳遞路徑自動(dòng)找到理想的結(jié)構(gòu)形式。再結(jié)合創(chuàng)成式設(shè)計(jì)和多尺度仿真，對(duì)這個(gè)結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行微觀設(shè)計(jì)和仿真。
高端裝備
此處所言的高端裝備指的是用于增材制造的系統(tǒng)級(jí)裝備、核心裝備和組件、增材工藝和材料等。系統(tǒng)級(jí)的裝備包括有多個(gè)打印設(shè)備和周邊設(shè)備組成的體系組成，也包括單一打印整機(jī)，這是我們通常提供給工業(yè)界的系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品。核心裝備和組件則指的是我們有特色的核心部件，這些核心部件也可以作為獨(dú)立產(chǎn)品供其他的裝備制造企業(yè)使用。增材工藝和材料特性往往是成對(duì)出現(xiàn)，因?yàn)橐豁?xiàng)工藝的可行性與材料特性有巨大關(guān)系。我們可以提供最優(yōu)化的工藝包給用戶或者與其他裝備制造企業(yè)合作。這些各級(jí)裝備的細(xì)節(jié)，我們將會(huì)在未來(lái)的文章中做詳細(xì)介紹。
新工業(yè)品
我們對(duì)增材制造本質(zhì)的理解是：基于增材思維對(duì)現(xiàn)在的工業(yè)體系進(jìn)行賦能、改造甚至重構(gòu)。我們堅(jiān)決反對(duì)用增材制造手段來(lái)制造傳統(tǒng)產(chǎn)品，至少要對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)品進(jìn)行再設(shè)計(jì)，甚至進(jìn)行架構(gòu)性創(chuàng)新，這將產(chǎn)生不同于以往的、極度創(chuàng)新的新工業(yè)品。我們不僅給工業(yè)體系提供正向設(shè)計(jì)技術(shù)、增材制造裝備，還要和各行業(yè)的龍頭企業(yè)合作研發(fā)創(chuàng)新型的工業(yè)品。微型渦輪機(jī)就是一個(gè)案例，是我們和航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)的某研究院合作研發(fā)一款新型渦輪機(jī)。過(guò)去的渦輪機(jī)械都是安裝在飛機(jī)這樣的大型裝備上，這樣的小型渦輪機(jī)可以在科幻片中見(jiàn)到，鋼鐵俠全身便裝滿了這種裝備，使得他不僅能上天下海入地，還具有超強(qiáng)攻擊力。傳統(tǒng)的研發(fā)和制造方式應(yīng)對(duì)這么小型且高性能的渦輪機(jī)是很難想象的，正向設(shè)計(jì)和增材制造相結(jié)合，就變得具有巨大的創(chuàng)新空間，什么都成為了可能。
圖9 基于增材思維的新工業(yè)品研發(fā)——微型渦輪機(jī)
面向服務(wù)經(jīng)濟(jì)的數(shù)字化賦能
基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對(duì)工業(yè)軟件和增材制造體系進(jìn)行改造，使系統(tǒng)或裝備可以在工業(yè)云上運(yùn)行，同時(shí)可以對(duì)用戶提供服務(wù)，還可以建立社會(huì)化的生態(tài)，形成更大范圍的產(chǎn)業(yè)模式。這個(gè)體系中有三個(gè)子體系，分別是仿真云生態(tài)、知識(shí)云生態(tài)和增材制造云生態(tài)。
服務(wù)經(jīng)濟(jì)
“服務(wù)經(jīng)濟(jì)”是針對(duì)傳統(tǒng)的“產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)”來(lái)說(shuō)的，實(shí)際上是云時(shí)代的工業(yè)新特征，可以讓產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)向服務(wù)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型。在制造業(yè)提出的服務(wù)型制造模式，及在軟件業(yè)提出的SaaS模式，都是服務(wù)經(jīng)濟(jì)的在不同行業(yè)的表現(xiàn)形式。
在服務(wù)經(jīng)濟(jì)中，有兩個(gè)特征，一個(gè)是“技術(shù)服務(wù)化”，一個(gè)是“服務(wù)開(kāi)放化”。技術(shù)服務(wù)化指的是：產(chǎn)品不再是用來(lái)賣的，而是服務(wù)的載體。服務(wù)開(kāi)放化指的是：服務(wù)不再只有供應(yīng)商來(lái)提供，而是全社會(huì)都可以參與服務(wù)。在這兩大特征下，供應(yīng)商和產(chǎn)品的目的和效果都是直接為用戶賦能，使其直接獲得價(jià)值，而不是他們通過(guò)購(gòu)買生產(chǎn)工具——裝備或軟件——來(lái)間接獲得能力。
圖10 服務(wù)經(jīng)濟(jì)的兩大特征：技術(shù)服務(wù)化和服務(wù)開(kāi)放化
技術(shù)服務(wù)化和服務(wù)開(kāi)放化這兩大特征的技術(shù)基礎(chǔ)便是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，有時(shí)候也稱為工業(yè)云。在我們開(kāi)放工業(yè)云的時(shí)候，同時(shí)就把我們研發(fā)的設(shè)備和軟件實(shí)現(xiàn)了技術(shù)服務(wù)化。用戶通過(guò)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)來(lái)使用我們的軟件和裝備，他們無(wú)需購(gòu)買，只需按需使用，按照使用的頻次和時(shí)長(zhǎng)來(lái)支付費(fèi)用。用戶此時(shí)獲得的不是生產(chǎn)工具，而是一種能力，所以我們稱為“賦能”，而且賦予的這種能力是數(shù)字化能力，同時(shí)也是通過(guò)數(shù)字化的方式所提供的，所以我們稱為“數(shù)字化賦能”。我們開(kāi)放工業(yè)云的時(shí)候，其實(shí)產(chǎn)業(yè)中的其他供應(yīng)商，或者社會(huì)上的知識(shí)和技術(shù)的擁有者，也可以通過(guò)這個(gè)工業(yè)云來(lái)提供服務(wù)。這種服務(wù)可以是裝備或軟件，也可以是知識(shí)和技術(shù)。這時(shí)候就是服務(wù)開(kāi)放化了。
圖11 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)支撐技術(shù)服務(wù)化和服務(wù)開(kāi)放化
很明顯，這種方式非常好地降低了數(shù)字化技術(shù)的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)門(mén)檻，讓過(guò)去只有大型企業(yè)才可以采納的數(shù)字化技術(shù)，普及到中小企業(yè)的千家萬(wàn)戶中去。
仿真云生態(tài)
仿真云生態(tài)其實(shí)是通過(guò)工業(yè)云把仿真軟件、高性能硬件、仿真數(shù)據(jù)、社會(huì)化的技術(shù)服務(wù)人員聚合在一個(gè)平臺(tái)上形成一個(gè)利益共同體。SaaS化的仿真軟件依據(jù)訂閱時(shí)長(zhǎng)收費(fèi)，高性能硬件依據(jù)調(diào)用時(shí)間收費(fèi)，社會(huì)化的技術(shù)人員可以通過(guò)這個(gè)平臺(tái)來(lái)為應(yīng)用單位提供服務(wù)獲得報(bào)酬，也可以在這里開(kāi)發(fā)和提供仿真APP來(lái)獲得收入。用戶則享受最經(jīng)濟(jì)的軟件、最貼合需求的APP和精準(zhǔn)的技術(shù)服務(wù)。
圖12 仿真云將軟間、硬件、人和數(shù)據(jù)形成利益共同體
仿真軟件的供應(yīng)不再是個(gè)別軟件，而是一站式供應(yīng)很多種軟件，這是安世亞太的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)——可對(duì)接國(guó)際上大多數(shù)仿真軟件商。過(guò)去用戶購(gòu)買仿真軟件的時(shí)候非常慎重，因?yàn)檐浖浅０嘿F，買來(lái)某一個(gè)就只能一直用這個(gè)，買錯(cuò)了就麻煩了。但現(xiàn)在無(wú)需這么慎重，只需要在云上根據(jù)需要無(wú)壓力地提挑選，隨時(shí)更換，反正不用了就關(guān)閉，不用再付費(fèi)。
圖13 全球仿真軟件的一站式供應(yīng)
知識(shí)云生態(tài)
對(duì)知識(shí)進(jìn)行管理是企業(yè)的天然需求。過(guò)去企業(yè)都是購(gòu)買知識(shí)管理軟件來(lái)完成自家知識(shí)的管理，現(xiàn)在可以通過(guò)知識(shí)云平臺(tái)來(lái)免費(fèi)使用軟件。我們通過(guò)平臺(tái)所管理的知識(shí)的數(shù)量來(lái)收費(fèi)。也就是說(shuō)，如果沒(méi)有知識(shí)，說(shuō)明云平臺(tái)沒(méi)發(fā)揮價(jià)值，那用戶無(wú)需支付費(fèi)用。但如果確實(shí)幫企業(yè)管理了知識(shí)，也就是說(shuō)云平臺(tái)發(fā)揮了價(jià)值，則企業(yè)只需支付少量費(fèi)用。這個(gè)平臺(tái)針對(duì)企業(yè)，我們希望幫企業(yè)打造學(xué)習(xí)型組織；針對(duì)個(gè)人，我們希望你的知識(shí)能變現(xiàn)，同時(shí)你的價(jià)值有所提升。
圖14 知識(shí)生態(tài)雙引擎：知識(shí)IPO和知識(shí)圖譜
知識(shí)云平臺(tái)提供了兩個(gè)引擎，一個(gè)是知識(shí)IPO，一個(gè)是知識(shí)圖譜。知識(shí)IPO引擎用來(lái)挖掘企業(yè)的隱性知識(shí)，促進(jìn)企業(yè)的技術(shù)人員愿意將他的知識(shí)貢獻(xiàn)給企業(yè)。知識(shí)圖譜則是針對(duì)顯性知識(shí)進(jìn)行掘金。企業(yè)一般都會(huì)有很多文檔資源，但這些文檔越多，也許越不能發(fā)揮知識(shí)價(jià)值，因?yàn)槿藗儽宦駴](méi)在文檔的汪洋大海中，根本就找不到自己想要的文檔，而知識(shí)圖譜相當(dāng)于提供了一個(gè)導(dǎo)航地圖。而且這些文檔作為單篇文檔來(lái)說(shuō)，知識(shí)特征不強(qiáng)，只有把海量知識(shí)放在一起的時(shí)候，通過(guò)知識(shí)圖譜就能形成知識(shí)特征。
增材制造云生態(tài)
在增材制造云生態(tài)中，你并不需要買個(gè)3D打印機(jī)，只需要在這里設(shè)計(jì)你需要的產(chǎn)品，云平臺(tái)就可以選擇一家合適的打印機(jī)幫你打印出來(lái)，然后送貨上門(mén)。這臺(tái)打印機(jī)也許就在距離你家不遠(yuǎn)的一個(gè)打印服務(wù)社，就像現(xiàn)在的圖片社一樣。當(dāng)然你甚至都不需要設(shè)計(jì)，只需要在創(chuàng)客集市挑選一個(gè)設(shè)計(jì)，支付少量的費(fèi)用，對(duì)這個(gè)設(shè)計(jì)做簡(jiǎn)單的參數(shù)定制。如果你確實(shí)想玩一下打印機(jī)，這里也可以DIY你的打印設(shè)置，做出與眾不同的打印品。在這里，你可以安心做一個(gè)創(chuàng)客，不需要關(guān)心與創(chuàng)造無(wú)關(guān)的事情。
圖15 增材制造云生態(tài)讓你安心做一個(gè)創(chuàng)客
虛實(shí)共智的數(shù)字化業(yè)態(tài)
數(shù)字化的技術(shù)越來(lái)越豐富，前文介紹的數(shù)字化技術(shù)只是冰山一角。數(shù)字化技術(shù)豐富是好事，但也帶來(lái)煩惱。各自為政的數(shù)字化技術(shù)只會(huì)把物理世界的應(yīng)用條塊分割，對(duì)數(shù)字化技術(shù)的用戶來(lái)說(shuō)更是難度加大，很少有一家用戶可以應(yīng)用這么多的數(shù)字化技術(shù)，更別說(shuō)把它們整合成一個(gè)完整有效的體系。
數(shù)字孿生體綜述
因此，無(wú)論是數(shù)字化技術(shù)的供應(yīng)商還是用戶，都需要一個(gè)整合化的技術(shù)模式，也需要一個(gè)聚合化的商業(yè)模式，于是數(shù)字孿生體便應(yīng)運(yùn)而生。該子體系中不僅將前三個(gè)相對(duì)獨(dú)立的數(shù)字化體系聚合成一個(gè)綜合體系，而且要發(fā)展社會(huì)上其他眾多數(shù)字化技術(shù)的供應(yīng)商生態(tài)，為三個(gè)重要的數(shù)字孿生場(chǎng)景提供解決方案并進(jìn)行工程落地，這三個(gè)場(chǎng)景分別是孿生工業(yè)、孿生城市和孿生戰(zhàn)場(chǎng)。
數(shù)字孿生體這一概念經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，隨著數(shù)字化技術(shù)的進(jìn)步和廣泛應(yīng)用，使得這一概念發(fā)展成為一個(gè)完整體系，逐漸在各行業(yè)開(kāi)始綜合化應(yīng)用。
簡(jiǎn)單來(lái)講，數(shù)字孿生體其實(shí)就是要建立一個(gè)物理世界的數(shù)字化鏡像。一個(gè)完美的數(shù)字孿生體應(yīng)該能全面反映物理對(duì)象的所有特征和特性，物理世界的一舉一動(dòng)在數(shù)字孿生體上都可以反映出來(lái)，并且可以預(yù)測(cè)其未來(lái)狀態(tài)。我們對(duì)數(shù)字孿生體進(jìn)行操縱的時(shí)候，物理世界也隨之被操縱。這相當(dāng)于提供了一個(gè)駕馭物理世界的簡(jiǎn)便易行的方式，畢竟駕馭數(shù)字世界要容易的多。數(shù)字孿生生命體（圖16）則反映了數(shù)字世界和物理世界的互動(dòng)關(guān)系。
圖16 數(shù)字孿生生命體模型
本圖上部是數(shù)字孿生體系框架，下部是物理對(duì)象的示意。物理對(duì)象在此圖中用于表達(dá)數(shù)字孿生世界與物理世界的關(guān)系，不是數(shù)字孿生體框架的要素。數(shù)字孿生體系架構(gòu)包含以下要素：數(shù)字建模（軀體）、測(cè)量與控制（神經(jīng)）、模擬仿真（左腦）、數(shù)據(jù)分析（右腦）、數(shù)字資產(chǎn)（社會(huì)性）和人機(jī)交互（四肢五官）。
成熟度、技術(shù)與場(chǎng)景
當(dāng)然，這樣的數(shù)字孿生體并不需要一蹴而就。根據(jù)數(shù)字孿生體的完善程度，可以將其分為五個(gè)成熟度。我們把最高級(jí)的成熟度定義為“共智”，是數(shù)字孿生體的最理想形式，所以數(shù)字孿生體系稱也為“虛實(shí)共智的數(shù)字化業(yè)態(tài)”。
當(dāng)然建立這樣一個(gè)相對(duì)完美的數(shù)字孿生體需要的數(shù)字化的技術(shù)非常多，圖16展示的數(shù)字化技術(shù)只是較為通用的技術(shù)，不同的應(yīng)用場(chǎng)景還有更多專業(yè)技術(shù)。根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)聚合不同的數(shù)字化技術(shù)是一個(gè)可行的道路。
數(shù)字孿生體的常見(jiàn)場(chǎng)景包括數(shù)字孿生工業(yè)，這其中又包括孿生研發(fā)、孿生制造、孿生供應(yīng)和孿生運(yùn)維等更小的分支。在民生方面，數(shù)字孿生城市是較為常見(jiàn)和綜合的場(chǎng)景。在軍事方面，數(shù)字孿生戰(zhàn)場(chǎng)是重要場(chǎng)景。這些場(chǎng)景將在我們未來(lái)的文章中討論。
圖17 數(shù)字孿生體場(chǎng)景、技術(shù)和成熟度
數(shù)字孿生體實(shí)驗(yàn)室
我們需要再次強(qiáng)調(diào)的是，數(shù)字孿生體這樣一個(gè)綜合和巨大的體系，沒(méi)有一家企業(yè)靠一己之力和自家產(chǎn)品可以形成一個(gè)較為完整的解決方案，所以，我們成立的數(shù)字孿生體實(shí)驗(yàn)室的重要目的是建立數(shù)字孿生生態(tài)，將與我們互補(bǔ)的數(shù)字化技術(shù)供應(yīng)商聚合起來(lái)，針對(duì)不同的場(chǎng)景和應(yīng)用對(duì)象，打造針對(duì)性解決方案，并合作進(jìn)行工程化落地?！?a target="_blank" >數(shù)字孿生體技術(shù)白皮書(shū)（2019年）》是該實(shí)驗(yàn)室推出的研究報(bào)告，對(duì)數(shù)字孿生體理論、技術(shù)、場(chǎng)景和案例等方面做了研究和梳理。
圖18 數(shù)字孿生體實(shí)驗(yàn)室打造數(shù)字孿生體生態(tài)
數(shù)字孿生體作為一個(gè)綜合的數(shù)字化體系，將對(duì)中國(guó)社會(huì)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供支撐。我們將針對(duì)行業(yè)、地區(qū)、企業(yè)、園區(qū)、城市等，建立數(shù)字化轉(zhuǎn)型促進(jìn)中心，提供整體規(guī)劃，法規(guī)與政策支持、示范中心建設(shè)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、人才培養(yǎng)等支撐和服務(wù)。
圖19 數(shù)字化轉(zhuǎn)型促進(jìn)中心模型
我們相信，數(shù)字化時(shí)代的正向研制體系將對(duì)中國(guó)千萬(wàn)家企業(yè)和城市的數(shù)字化轉(zhuǎn)型具有普適性的支撐和促進(jìn)作用。
