智能研發(fā)的發(fā)展必須要靠哪些要素支撐，才能得以實現(xiàn)

在智能制造體系架構中，作為先進制造業(yè)核心競爭力的源泉，智能研發(fā)是其中一個重要環(huán)節(jié)。就傳統(tǒng)的設計制造業(yè)務模式而言，從需求調(diào)研、競品分析，市場調(diào)研等方面獲取產(chǎn)品設計需求，然后再從概念設計到詳細設計，并將詳細設計方案轉(zhuǎn)變成可制造的工藝流程和生產(chǎn)流程，最后完成產(chǎn)品的制造過程并對外銷售。從過去產(chǎn)品全生命周期管理的角度來看這種流程沒有什么問題，并且這種串行的研發(fā)制造流程也是目前制造企業(yè)的主流模式。

但隨著物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)大數(shù)據(jù)、增材制造、增強現(xiàn)實等新興技術不斷的涌現(xiàn)并逐步走向成熟應用，這種流程就顯得有些僵化和缺乏靈活性，無法對技術的更新?lián)Q代和客戶需求做出快速響應，而且也很難適應企業(yè)未來智能制造體系建設與發(fā)展的需求。

所以企業(yè)要想進行智能制造轉(zhuǎn)型，首先必須要從產(chǎn)品創(chuàng)新根源上做起，將串行研發(fā)流程轉(zhuǎn)變?yōu)楦鶕?jù)用戶需求持續(xù)改進的閉環(huán)智能研發(fā)流程，感知用戶需求并靈活做出調(diào)整，同時融入智能制造相關新興使能技術，形成從用戶到用戶的產(chǎn)品研發(fā)循環(huán)。即在產(chǎn)品設計需求分析階段就開始進行市場與用戶相關數(shù)據(jù)分析，這其中包含用戶直接參與基于自身喜好的產(chǎn)品定制過程，以及產(chǎn)品在使用過程中反饋相關運行數(shù)據(jù)來指導改善原設計方案的過程，形成一個往復循環(huán)持續(xù)優(yōu)化的智能研發(fā)過程。

該流程體現(xiàn)了設計歷史上從為用戶設計，到幫助用戶設計，到用戶為自己設計的轉(zhuǎn)變。所以，智能研發(fā)必須建立在從設計信息、生產(chǎn)信息、用戶使用及反饋信息的高度智能化集成基礎上，從智能化的需求產(chǎn)生到基礎設計數(shù)據(jù)獲得的過程，從智能化的用戶參與式設計到能夠直接轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)信息并被執(zhí)行。要想實現(xiàn)這些轉(zhuǎn)變，智能研發(fā)必須要有以下幾大要素的支撐才能得以實現(xiàn)：

建立統(tǒng)一的多學科協(xié)同研發(fā)平臺

首先針對智能產(chǎn)品開發(fā)一般都是跨越多個專業(yè)技術領域和具有多種關鍵技術特征的，涉及多學科跨專業(yè)技術領域高度交叉與融合。同時，用戶的多樣化需求也使產(chǎn)品結(jié)構和功能變得非常復雜，IT嵌入式軟件技術也逐漸成為產(chǎn)品的核心部分，需要機、電、軟等多個學科的協(xié)同配合。

這就需要企業(yè)建立一個可以融合企業(yè)內(nèi)部所有不同專業(yè)學科領域研發(fā)系統(tǒng)和工具的頂層架構，形成一個可以全面管理產(chǎn)品生命周期中所有專業(yè)研發(fā)要素的統(tǒng)一的多學科協(xié)同研發(fā)平臺。

平臺除了可以管理各專業(yè)圖紙、工藝和材料信息以外，還可以管理產(chǎn)品的功能、性能、質(zhì)量、指標這些特性類數(shù)據(jù)及其生成過程，并能集成程序設計與管理、仿真、優(yōu)化、創(chuàng)新、質(zhì)量等工具，使研發(fā)體系可以快速高效地應用這些工具，從而進行差異性、高性能、高品質(zhì)的產(chǎn)品智能研發(fā)。在這個基礎上，再采用知識工程將企業(yè)研發(fā)過程中的知識積累下來，形成系列化產(chǎn)品開發(fā)的能力。

建立數(shù)字化樣機，實現(xiàn)仿真驅(qū)動創(chuàng)新

在智能研發(fā)階段中，必須要建立產(chǎn)品的數(shù)字樣機，用來支持總體設計、結(jié)構設計，工藝設計等協(xié)同設計工作，支持項目團隊進行并行產(chǎn)品開發(fā)。

建立數(shù)字樣機的主要作用包括分析數(shù)字樣機模型具有正確的公差尺寸，干涉檢查等，同時還有重量特性分析、運動分析和人機功效分析。同時，數(shù)字樣機還能夠提供產(chǎn)品裝配分析的數(shù)據(jù)信息，這包括裝配單元信息、裝配層次信息等，以保證對產(chǎn)品的裝配順序、裝配路徑、裝配時的人機性、裝配工序和工時等進行仿真。數(shù)字樣機還可以進行工藝性評估，包括加工方法、加工精度、刀路軌跡等，實現(xiàn)對樣機的CAM仿真和基于三維數(shù)字樣機的工藝規(guī)劃。

數(shù)字樣機在產(chǎn)品的銷售階段也有非常重要的作用，它能夠為產(chǎn)品宣傳提供逼真的動態(tài)、靜態(tài)產(chǎn)品數(shù)據(jù)。通過三維模型的輕量化技術，企業(yè)可以便捷、靈活的利用原始數(shù)字樣機模型為產(chǎn)品培訓提供分解圖、原理圖，還可以提供近似產(chǎn)品的快速變型與派生設計，以滿足市場報價和快速組織投標和生產(chǎn)的需要。

另外，在基于數(shù)字化樣機的基礎上，企業(yè)還可以建立虛擬樣機進行系統(tǒng)集成和仿真驗證，可以通過仿真減少實物試驗，降低研發(fā)成本，縮短研發(fā)周期，完成仿真驅(qū)動設計。同時還可以將仿真技術與試驗管理結(jié)合起來，提高仿真結(jié)果的置信度。

圖1 SET**電動輪礦車數(shù)字樣機

除此以外，為了保障產(chǎn)品的可靠性，還必須在產(chǎn)品設計的前期就充分考慮工藝規(guī)劃、制造、裝配、檢驗、銷售、使用、維修到產(chǎn)品的報廢等產(chǎn)品全生命周期過程中的各項工程要素。利用并行工程和DFX技術，在設計階段盡可能早地針對不同階段中產(chǎn)品的性能、質(zhì)量、可制造性、可裝配性、可測試性、產(chǎn)品服務和價格等因素進行綜合評估，從而優(yōu)化產(chǎn)品設計，保障產(chǎn)品質(zhì)量。

采用標準化、模塊化設計 形成系列化產(chǎn)品開發(fā)能力

以用戶為中心的智能研發(fā)就必然會面臨用戶需求的多樣性，這就要求企業(yè)必須有靈活多變的產(chǎn)品變型設計能力來滿足用戶多樣化的需求，形成系列化產(chǎn)品的開發(fā)能力，然而這樣就會直接導致產(chǎn)品設計、工藝、制造各個過程中的數(shù)據(jù)大量增加。

圖2 柳工集團的輪式裝載機模塊化實踐（來源：顧新建教授產(chǎn)品創(chuàng)新模塊化設計方法與實踐的演講）

在這種狀態(tài)下，產(chǎn)品的標準化、模塊化設計就顯得尤為重要，模塊化就是為滿足不同需要，以標準化為基礎，通過分解、集合手段，把復雜系統(tǒng)分解為相互獨立的具有特定功能的標準化模塊，再通過標準的接口把各獨立的模塊聯(lián)結(jié)為一個完整系統(tǒng)的過程。

企業(yè)如果沒有做產(chǎn)品的標準化、模塊化方面的工作，缺乏了基于用戶需求的定制開發(fā)能力，就無法形成系列化的產(chǎn)品開發(fā)來滿足客戶對產(chǎn)品的多樣化需求以及產(chǎn)品自身生態(tài)體系的建設，智能研發(fā)也就無從談起。

MBD/MBE 設計信息與生產(chǎn)信息高度集成

MBD（基于模型的定義）可以將制造信息和設計信息（三維尺寸標注及各種制造信息和產(chǎn)品結(jié)構信息）共同定義到產(chǎn)品的三維數(shù)字化模型中， MBD不僅描述設計幾何信息而且定義了三維產(chǎn)品制造信息和非幾何的管理信息（產(chǎn)品結(jié)構、PMI、BOM等），使設計/制造廠之間的信息交換可不完全依賴信息系統(tǒng)的集成而保持有效的連接。MBD打破了設計制造的壁壘，使設計、制造特征能夠方便地被計算機和工程人員解讀，有效地解決了設計/制造一體化的問題。

圖3 基于模型定義MBD

在將MBD模型作為統(tǒng)一的“工程語言”后，就可以進一步推進MBE（基于模型的企業(yè)）的應用，使設計模型中包含的數(shù)據(jù)信息能在工藝、制造環(huán)節(jié)有效傳遞，只有這樣才能夠使生產(chǎn)制造包括后續(xù)的過程實現(xiàn)高度的自動化，使設計信息與生產(chǎn)信息完成高度集成，保障數(shù)字樣機和物理樣機中間各個環(huán)節(jié)的通路。

融合增材制造與拓撲優(yōu)化技術的創(chuàng)新設計

區(qū)別于傳統(tǒng)的經(jīng)驗式設計模式，經(jīng)過拓撲優(yōu)化的產(chǎn)品模型是在給定載荷、工況等約束條件下，滿足性能要求的最優(yōu)拓撲模型，而且具備輕量化的特點，是一種新型的設計方法。然而，拓撲優(yōu)化技術只有在不考慮制造工藝約束時才具有更好的效果。因此，盡管工程師們通過拓撲優(yōu)化方法設計出了結(jié)構獨特、高性能的產(chǎn)品模型，但往往因為可制造性問題而舍棄掉產(chǎn)品在輕量化、高性能上的優(yōu)勢。

圖4 空中客車集團的3D打印摩托車Light Rider

但隨著增材制造技術的出現(xiàn)并逐步走向成熟應用，能夠很好的解決了這一大難題。增材制造技術可以幫助企業(yè)按照最理想的結(jié)構形式來設計產(chǎn)品，使得產(chǎn)品 “功能性優(yōu)先”變?yōu)榭赡堋Ｒ虼?，增材制造讓拓撲?yōu)化技術的價值得以完全的發(fā)揮。

可見，這種將拓撲優(yōu)化與增材制造技術融合的方法也是智能研發(fā)中的一個重要實現(xiàn)途徑之一，即通過拓撲優(yōu)化來確定和去除那些不影響零件剛性部位的材料，并在滿足功能和性能要求的基礎上實現(xiàn)輕量化的創(chuàng)新設計，再利用增材制造技術將這些傳統(tǒng)制造工藝無法實現(xiàn)的復雜結(jié)構制造出來，從而實現(xiàn)整個創(chuàng)新過程，并簡化了設計制造整個流程，可以說對傳統(tǒng)制造業(yè)而言是個顛覆性的轉(zhuǎn)變。

應用虛擬現(xiàn)實及增強現(xiàn)實技術的設計評審

虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術是銜接虛擬產(chǎn)品和真實產(chǎn)品實物之間的橋梁，通過應用虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術，在產(chǎn)品的初創(chuàng)階段就能夠?qū)Ξa(chǎn)品的設計方案和產(chǎn)品的相關屬性信息進行直觀的展示和體驗，使整個設計評審過程更便捷和有效，同時能夠更直觀的發(fā)現(xiàn)設計過程中存在的問題。另外，在虛擬現(xiàn)實環(huán)境下，還能夠進行逼真的產(chǎn)品虛擬使用和維修培訓，以及為用戶提供沉浸式體驗，幫助用戶提前感受企業(yè)智能產(chǎn)品的獨特魅力。

圖5 虛擬現(xiàn)實應用于汽車設計

建立基于云端的廣域協(xié)同研發(fā)

在智能研發(fā)中，企業(yè)的產(chǎn)品和服務將會由單向的技術創(chuàng)新、生產(chǎn)產(chǎn)品和服務體系投放市場，等待客戶體驗，逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槠髽I(yè)主動與用戶服務的終端接觸，進行良性互動，協(xié)同開發(fā)產(chǎn)品，技術創(chuàng)新的主體將會轉(zhuǎn)變?yōu)橛脩簟Ｆ鋭?chuàng)新、意識、需求貫穿生產(chǎn)鏈，影響著設計以及生產(chǎn)的決策。

設計師將會成為在消費端、使用端、生產(chǎn)端之間的匯集各方資源的組織者，不在這個生產(chǎn)鏈巨大網(wǎng)絡下起到推動作用，不再獨立包攬所有的產(chǎn)品創(chuàng)新工作。智能研發(fā)將會是基于云端與供應商、合作伙伴、客戶進行協(xié)同研發(fā)，讓所有人都能夠參與到開放式的創(chuàng)新中來。

作為擁有互聯(lián)網(wǎng)基因的協(xié)同設計云平臺，OrangeCDS面向工業(yè)制造、軟件與信息化、智能生活等主要領域，專注于研發(fā)設計大協(xié)作，在線匯聚了全球各具專業(yè)技能的工業(yè)設計師、研發(fā)工程師進入智力庫，快速組織開展大規(guī)模協(xié)同作業(yè)，能夠幫助制造企業(yè)客戶高效便捷完成工業(yè)產(chǎn)品研發(fā)設計。

有項目亟待解決的需求方，可以在OrangeCDS平臺上隨時提交需求、委托免費發(fā)布；OrangeCDS接收后，會通過及時匹配，推送給有相關經(jīng)驗的智力庫解決方，并進行相應技術方案分析，來快速幫助需求方物色優(yōu)質(zhì)解決方，且全程協(xié)作進度管控。還通過協(xié)同研發(fā)設計環(huán)境和專業(yè)項目經(jīng)理，來幫助需求方降低項目實施過程中的管控風險。為需求方節(jié)省大量時間精力成本，快速解決問題。

基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)的閉環(huán)產(chǎn)品研發(fā)

有賴于物聯(lián)網(wǎng)、云計算技術的發(fā)展，通過對產(chǎn)品上安裝傳感器，就可以基于物聯(lián)網(wǎng)收集的產(chǎn)品運行數(shù)據(jù)，對產(chǎn)品進行性能、質(zhì)量進行實時監(jiān)控，工程技術人員將更加了解當前產(chǎn)品的軟硬件運行狀況。

圖6 通過增強型虛擬現(xiàn)實技術展現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)感知的數(shù)據(jù)

另外，基于大數(shù)據(jù)分析和智能優(yōu)化對搜集到的海量數(shù)據(jù)進行處理，分析、編程，也可以明確在以往產(chǎn)品研發(fā)過程中出現(xiàn)的問題，繼而在下一代產(chǎn)品研發(fā)中改進設計，使產(chǎn)品能夠不斷的動態(tài)優(yōu)化來改善用戶的體驗，持續(xù)改進產(chǎn)品質(zhì)量和功能。

物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新應用，正從速度、廣度上深刻影響著工業(yè)科技創(chuàng)新的方方面面。智能時代，工業(yè)正被不斷重塑。橙色云兩年前組建了一支全球化的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)專項團隊，致力于打造工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺Uni-link，以此作為強有力的助手，幫助更多行業(yè)應用切實創(chuàng)新落地。

Uni-link借助大數(shù)據(jù)、云服務等，實現(xiàn)了信息發(fā)布、線上并網(wǎng)、電費結(jié)算、光伏運維、光伏金融等核心功能的全流程貫通。支持多種工業(yè)設備、工業(yè)服務、工業(yè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的接入，通過主流的工業(yè)協(xié)議及物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，借助通訊網(wǎng)絡，建立現(xiàn)場與平臺之間安全穩(wěn)定的雙向連接，提供遠程監(jiān)控、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、設備管理、可視化等多項服務，并為客戶定制解決方案，進行創(chuàng)新應用落地。目前聚焦于智能制造、智慧樓宇、智慧熱網(wǎng)等領域。

總體來說，實現(xiàn)智能研發(fā)是一個復雜而漫長的過程，上述的幾大要素的實施也是一個非常復雜的系統(tǒng)工程。企業(yè)除了要建立完善的研發(fā)體系以外，還應通過信息化技術實現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期中數(shù)據(jù)流的自動化，以用戶為中心，通過智能研發(fā)構造出智能互聯(lián)的產(chǎn)品，并形成系列化的產(chǎn)品生態(tài)圈，將用戶的需求、使用等信息與產(chǎn)品研發(fā)緊密地聯(lián)系起來，形成一個閉環(huán)持續(xù)優(yōu)化的產(chǎn)品研發(fā)及服務體系。