建立正向设计体系是研发数字化转型的关键使命

在《数字化研发的蓝图框架和转型模式》一文中，我们将研发数字化转型建设路线规划为“三级跳”，正向变革是研发数字化转型转型的第二跳，这一跳的目标是让设计范式从逆向工程走向正向设计。

中国已经进入中等收入社会，同时面临中等收入陷阱。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”已在《中国制造2025》中确定为一项国策。

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。

因此，在中国工业和科技的当下，正向设计体系的建立是研发数字化转型最重要的使命。

现代工业的正向设计模型从美国科学家PAUL ROOK 1980年提出的软件工程V模型发展而来。PAUL的V模型的目的是减小BUG和ERROR出现的概率，是对瀑布模型的修正，强调了验证活动，它反映了测试活动与分析和设计的关系。如图1所示。

                   

图1PAUL ROOK提出的软件工程模型

系统工程科学家们认为PAUL ROOK提出的V模型适合于普适系统工程（软件工程本身就是一种系统工程过程），于是就将此模型继续修订为系统工程V模型，反映了系统开发的技术过程。不同系统工程学派、企业和机构的研究与实践所采用的V模型具有一定差异，这些模型具有不同的流程边界划分方式，某些流程活动名称相似但内涵不同。本书作者综合系统工程的经典理论和在中国企业的实践，提出了如图2所示的系统工程V模型。

                   

图2 系统工程V模型

下表给出了产品研发过程V模型的说明。其中，第1至第9的是系统工程内部流程，而第0（涉众需求）和第10（系统验收）则是对外流程。考虑到各学派和不同实践中所用名称的差异，下也给出了相似过程的其他常见名称。

                   

理想的产品设计过程的起点是涉众需求，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、系统验证和系统确认等阶段，最后完成产品的验收。V模型的右边部分既是产品交付，又是对左边相应阶段的验证。如果验证出现问题，会回到左边相应阶段进行修正。这个过程称为“正向设计”，如图3所示。

                   

图3 基于V模型的正向设计和逆向工程

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”。

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。正向设计过程包括系统设计和物理设计两个过程。系统设计是形成系统框架的过程，物理设计则是确定设备的具体结构和参数。现代复杂制造业产品通常包含机械、电子和软件三种子系统，不论何种类型的系统，系统设计部分的形态是相似的，均表现为框架形态。物理设计部分的形态针对机械、电子和软件则各不相同。

正向工程能知其所以然，除了拥有完整的V模型，特别是完整需求分解、架构设计和系统设计外，还离不开仿真技术，它是透视产品功能和性能的关键技术，也是正向设计的核心。

正向设计的特征是设计过程遵从完整的V字模型，V字左半边是设计过程，右半边是确认过程。但等完全设计结束，加工出试件，再通过右边来确认，一旦确认不通过，必然带来巨大的损失，不仅是金钱的损失，更重要的是时间的延误。

为了保证V左半边的四个设计过程结果正确，需要引入五个小V循环，分别是需求确认、功能确认、系统确认、物理确认和制造确认。由于在设计过程中，实物并没有被制造出来，所以，在数字化仿真技术出现之前，这种确认只能用实物的替代品来实现，确认难度非常大，效果也很不理想。自从仿真技术出现后，可以通过计算、分析、模拟或仿真等手段对设计进行确认和优化，如图4所示。

                   

图4 产品研发的完整过程

这样最终确定的研发体系是由多个V嵌套的模型（确切地讲是六个V），姑且称为“多V模型”。整体来看，多V模型的最左侧是设计过程，最右侧是试验与验证过程，最底层是试制过程，中间则是一系列仿真过程。

                   

图5 仿真处于产品设计体系核心位置

如图5图所示，在正向设计多V模型中，仿真的位置预示着它是正向设计的核心，事实上也的确如此。仿真是产品得以正向设计的保障，或者说，没有仿真，正向设计无从谈起，至少无法顺利进行。设计在任何一个阶段都应该验证后才往下进行，否则后期的返工带来的成本和周期难以承受。对设计的最终验证是物理试验，但在设计前期产品尚未成形，根本无法做物理试验，有时候可以用替代品做一定程度的验证，但往往无法达到目的。所以，在计算机中的虚拟验证就变得无比重要，仿真就是在计算机中做数字试验的过程。

所谓仿真，是利用虚拟模型替代真实世界的物理模型，在计算机中对真实世界进行模拟，从而以较低的成本和较短的时间，获得对真实世界更为完整和全面的理解。仿真可以在计算机中透视真实世界的各种现象，这种透视在物理世界往往成本高、难度大甚至做不到。

仿真可以用于透视产品特性，看到产品的运行本质和规律，预测产品性能，譬如刚度、强度和疲劳寿命。采用仿真技术可以快速进行数字试验，大量减少实物试验次数。与实物试验相比，仿真能看到实物试验看不到的数据，提前发现缺陷，预测运行期间的故障以及引起故障的原因。同时仿真具有低成本和高效率的特点，所以可以做遍历仿真，发现新方案，验证各种创新思路的可行性。

仿真最基本的作用就是对设计各阶段的结果进行验证。设计过程具有需求定义、功能分解、系统综合、物理设计和工艺设计等过程，对每一个设计子过程都有相应的仿真验证手段，所以，仿真可以分为以下五个大类：指标分析、功能分析、系统分析、工程仿真和制造仿真。过去经常听到技术人员感叹仿真的博大精深，纷繁复杂，类型多变，不知道有多少种仿真。的确，相比于CAD的趋同，CAE的确是求异的技术。但其实，从正向设计模型的视角来看，仿真的类型还是有限的，针对不同但有限的设计过程，有不同但仍然有限的仿真类型。

                   

图6 仿真分为系统仿真和物理仿真

习惯上，人们把需求分析、功能分析和系统分析统称为系统仿真（〇维仿真），把工程仿真、制造仿真统称为物理仿真（一维、二维和三维仿真），如图6所示。系统仿真的模拟对象是系统架构，属于抽象模型，而工程仿真和制造仿真的模拟对象是产品实体，属于具象模型。因此，系统仿真往往用于在概念阶段确认产品的总体架构（图7），工程仿真通常用来确认物理产品的初步设计、详细设计、工艺设计和制造过程（图8）。

                   

图7 系统仿真实例

到了物理设计阶段，产品的形态已经比较具体，所以仿真的类型开始丰富。根据分析的目的不同，将工程仿真分为单场仿真、多场仿真、多体仿真和虚拟现实，制造仿真分为工艺仿真、干涉检查、装配、机构仿真和六西格玛分析等。根据物理场的不同，分为结构场仿真、流场仿真、电磁场仿真等。根据分析对象的不同，分为结机械仿真、流体仿真、电气仿真、电子仿真、液压仿真等。根据计算方法、模型处理方法还有更多的分类方法，此处不再赘述。

                   

图8 工程仿真实例

图4所示的技术体系其实分上下两层，分别是物理开发层和系统开发层，如图9所示。下层的物理开发层的特征是设计图纸所见即所得，你在设计什么，从图纸上一目了然，即使外行也能知道你在设计什么。系统开发层的图纸则是架构图，这种图纸千篇一律，不论你设计什么，图纸看上去都是框图模样的图纸，外行很难知道你在设计什么。物理开发层决定了你设计的产品像不像你的目标产品，而系统开发层决定了你设计的产品强不强大。物理开发层是国内企业最熟悉的一层，而系统开发层在国内很多企业都不具备。

所以一家企业应该认证真透析本企业的技术体系，你需要左看右看、上看下看、里看外看。图9所示的模型表明，一家企业的技术体系中，左边（设计）比右边重要，上面（架构）比下面重要，里面（仿真）比外面重要。

                   

图9 技术体系的上下两层具有不同特性

因此，显然企业的设计能力是分级的，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10所示。

                   

图10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的看上去的复杂度，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。

总结来说，在基于系统工程的数字化研发体系中，正向设计体系主张从客户需求开始，经过需求定义、功能分解、系统综合、物理设计等过程，利用仿真手段对设计进行一系列虚拟验证，利用试验手段对设计进行一系列物理验证，最终使得产品满足客户需求，达到可交付状态。这一正向过程保证产品开发的源头是客户需求，而非仿制对象，从根本上保证所设计产品的创新性。

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。正向变革就是用一系列基于模型的方法对研发体系进行改造的过程，如图11所示。

                   

图11正向变革就是对研发体系进行基于模型的改造过程

1)基于模型的系统工程（MBSE）

系统设计与仿真是MBSE的核心技术，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。基于MBSE的系统开发体系其实就是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是物理设计与仿真的核心，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

基于模型的数字化试验体系包括实物试验管理和数字试验两个子体系。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，赋能实物试验的规划、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（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。

以上所述的这一系列基于模型的方法对研发体系改造完成后，将形成基于模型的正向研发体系，包括正向设计相关的流程、方法、工具和平台等建设，并进行相应组织的优化和变革。建设完成的正向研发平台如图12所示，是根据正向设计体系对数字化研发平台参考架构的实例化，特别是对正向设计环境中的元素做了明确。同时采纳了知识工程平台的部分的技术资源，形成基于模型的产品平台。

                   

图12正向设计平台

来源：数字孪生体实验室