清華大學(xué)吳澄院士
1、我國(guó)制造業(yè)信息化
早在70年代，我國(guó)制造業(yè)就開(kāi)始引入信息技術(shù)，到80年代開(kāi)始了863計(jì)劃，專(zhuān)門(mén)設(shè)立了CIMS主題，在全國(guó)范圍開(kāi)展制造業(yè)信息化的研究、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，每年有1-2千人全時(shí)投入。并且從黨的十五大起，“信息化” 在每次大會(huì)報(bào)告中都有明確的表示，這對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展都起到了重要的導(dǎo)向作用。具體表現(xiàn)為：
●“十五大”（1997）：改造和提高傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，發(fā)展新興產(chǎn)業(yè)和高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，推進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)信息化。
●“十六大”（2002）：以信息化帶動(dòng)工業(yè)化，以工業(yè)化促進(jìn)信息化。信息化是我國(guó)加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)化和現(xiàn)代化的必然選擇。堅(jiān)持以信息化帶動(dòng)工業(yè)化，以工業(yè)化促進(jìn)信息化，走出一條科技含量高、經(jīng)濟(jì)效益好、資源消耗低、環(huán)境污染少、人力資源優(yōu)勢(shì)得到充分發(fā)揮的新型工業(yè)化路子。
●“十七大”（2007）：堅(jiān)持走中國(guó)特色新型工業(yè)化道路，推進(jìn)信息化與工業(yè)化融合。
●“十八大”（2012）：堅(jiān)持走中國(guó)特色新型工業(yè)化、信息化、城鎮(zhèn)化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化道路，推動(dòng)信息化與工業(yè)化深度融合，工業(yè)化和城鎮(zhèn)化良性互動(dòng)，城鎮(zhèn)化和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化相互協(xié)調(diào)，促進(jìn)工業(yè)化、信息化、城鎮(zhèn)化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化同步發(fā)展。
談到信息化，通俗地講可理解為，信息化是培育發(fā)展信息產(chǎn)業(yè)、將信息技術(shù)應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生活等各個(gè)方面的歷史進(jìn)程。
既然是一個(gè)進(jìn)程，便有階段。公認(rèn)的是信息化經(jīng)歷了：數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，當(dāng)然它還在發(fā)展中。
數(shù)字化：計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，把各種信息都用數(shù)字表示。數(shù)字地球、地圖可以將地球（地圖）高分辨率的表示。
網(wǎng)絡(luò)化：通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息的互聯(lián)互通以至互操作。
智能化：對(duì)信息的進(jìn)一步的智能處理（智能計(jì)算）以獲得更好的結(jié)果（資源更節(jié)省、效果更好……。）智慧和智能，簡(jiǎn)單化的說(shuō)，智慧更有人文的色彩，如指聰慧。而智能更多的是技術(shù)含義。智能指采用人工智能的理論、方法和技術(shù)，獲得具有擬人智能的特性或功能。
“需求牽引、技術(shù)驅(qū)動(dòng)”是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成功的兩個(gè)要點(diǎn)。下文主要是介紹數(shù)字技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能技術(shù)在產(chǎn)品創(chuàng)新研發(fā)中的應(yīng)用。
2、數(shù)字化技術(shù)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品創(chuàng)新的標(biāo)志性成果及其相關(guān)技術(shù)
提到數(shù)字化，不能不講波音777，波音777是數(shù)據(jù)字技術(shù)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品創(chuàng)新的標(biāo)志性成果，數(shù)字化需求是90年代初，也是我們第一次訪(fǎng)問(wèn)波音的時(shí)候歸納總結(jié)的。在1995年，在了解了波音777的整個(gè)設(shè)計(jì)制造過(guò)程后，我們從信息化角度，首先是數(shù)字化定義（Digital definition），做到了無(wú)紙化，此處的無(wú)紙化并非節(jié)約了紙張，而是打通了整個(gè)信息流；然后是數(shù)字化預(yù)裝配（Digital pre-assembly），即虛擬裝配，原來(lái)需要做結(jié)構(gòu)樣機(jī)，現(xiàn)在直接在計(jì)算機(jī)上完成裝配，而且一次成功，大大縮短了樣機(jī)制做的時(shí)間；接下來(lái)是基于STEP的異構(gòu)軟件之間的數(shù)據(jù)交換，以及基于廣域?qū)Ｓ镁W(wǎng)的異地設(shè)計(jì)、制造（工作包方式24小時(shí)以?xún)?nèi)處理），管理上采用Teamwork，整個(gè)Teamwork有238個(gè)團(tuán)隊(duì)。因此，取得的效果也很明顯：B757、B767從設(shè)計(jì)到商業(yè)運(yùn)行用了9-10年，而B(niǎo)777僅用了4.5年。同時(shí)，“空客”在技術(shù)上也受到美國(guó)技術(shù)的影響，包括A380，雖然其相比B777信息化水平?jīng)]有新的突破。同時(shí)，上述技術(shù)在很大程度上影響了我國(guó)，在航天、航空、汽車(chē)、機(jī)車(chē)車(chē)輛等應(yīng)用，效益明顯。借助于B777的經(jīng)驗(yàn)，我們?cè)诰W(wǎng)上通過(guò)并行工程、虛擬制造（DFX)等技術(shù)，包括可裝配性的研究、可制造性的研究、CAE仿真分析等等，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間40％。當(dāng)前，這些技術(shù)（CAD/CAE、DFX、并行工程等）至今仍在發(fā)展，是重大應(yīng)用離不開(kāi)的技術(shù)。
圖1 數(shù)字化技術(shù)
3、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品創(chuàng)新——互聯(lián)、互通和互操作
●支持網(wǎng)絡(luò)化產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的平臺(tái)應(yīng)該是聯(lián)邦集成，所謂聯(lián)邦集成是指：
●支持跨地域、行業(yè)的多種應(yīng)用服務(wù)
●實(shí)現(xiàn)用戶(hù)跨平臺(tái)點(diǎn)播，自動(dòng)導(dǎo)航，無(wú)同時(shí)登陸人數(shù)限制；無(wú)登陸人員地點(diǎn)限制；
●實(shí)現(xiàn)平臺(tái)之間互惠互利的互聯(lián)、互通和互操作的資源共享；
●原有聯(lián)邦成員既能獨(dú)立運(yùn)行，又能集成運(yùn)行，任何聯(lián)邦成員的加入和退出都不影響其它聯(lián)邦成員的運(yùn)行。
●平臺(tái)具有跨操作系統(tǒng)的能力：可以安裝在Windows 2000/2003，Windows XP，Unix，Linux系統(tǒng)下，而且對(duì)于客戶(hù)端也沒(méi)有任何限制。
滿(mǎn)足上述需求要有一個(gè)基礎(chǔ)架構(gòu)并解決一系列關(guān)鍵技術(shù)�；A(chǔ)架構(gòu)包括：
●借鑒HLA聯(lián)邦集成與GLOBUS的思想，提出了“聯(lián)邦集成框架” （FIA—Federation Integration Architecture）
●FIA不是一個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，而是一種平臺(tái)集成的框架體系標(biāo)準(zhǔn)，不僅要實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的互聯(lián)、互通，更重要的是要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化制造平臺(tái)之間的互操作
●FIA主要由3部分組成：規(guī)則（rules)；對(duì)象模型模板（OMT）；聯(lián)邦執(zhí)行支撐環(huán)境（FEI Federation Executive Infrastructure）接口規(guī)范說(shuō)明（interface specification）
●聯(lián)邦執(zhí)行支撐環(huán)境（FEI）作為 FIA 接口規(guī)范所規(guī)定服務(wù)的軟件實(shí)現(xiàn)其功能類(lèi)似于某種特殊目的的分布式操作系統(tǒng)，為聯(lián)邦成員提供執(zhí)行時(shí)所需的服務(wù)。
主要功能有6種，聯(lián)邦管理、資源管理、搜索管理、計(jì)費(fèi)管理、調(diào)度管理和安全管理。FEI接口規(guī)范主要是通過(guò)各個(gè)聯(lián)邦成員節(jié)點(diǎn)來(lái)連接，如下圖：
圖2 FEI接口規(guī)范
涉及到的關(guān)鍵技術(shù)有：
●采用自適應(yīng)的png格式圖像壓縮與解壓縮，局部更新png格式，并進(jìn)行三次樣條插值的圖像壓縮與傳輸，交互式協(xié)同設(shè)計(jì)只需要1M帶寬以下，達(dá)到實(shí)時(shí)同步；
●基于數(shù)據(jù)過(guò)濾機(jī)制的動(dòng)態(tài)資源信息按需傳輸技術(shù)
采用聲明管理和數(shù)據(jù)分發(fā)管理的思想，基于“匹配”機(jī)制
●分布式共享資源的服務(wù)調(diào)度技術(shù)
基于分類(lèi)學(xué)對(duì)共享資源進(jìn)行分類(lèi)，將復(fù)雜的調(diào)度轉(zhuǎn)換為根據(jù)調(diào)度策略中描述的約束，對(duì)搜索結(jié)果的進(jìn)行分類(lèi)
達(dá)到“盡可能的提供符合約束條件的調(diào)度結(jié)果”并“兼顧服務(wù)的響應(yīng)時(shí)間”兩者之間的平衡
●基于配置文件和廣播搜索模式的跨平臺(tái)聯(lián)邦搜索技術(shù)
●網(wǎng)絡(luò)化制造聯(lián)邦集成平臺(tái)的安全授信技術(shù)
保證本平臺(tái)的數(shù)據(jù)不被越權(quán)的泄露、修改、利用、限制和破壞——采取口令字控制
防止本平臺(tái)的用戶(hù)資料被其他的平臺(tái)獲得——采取用統(tǒng)一身份標(biāo)識(shí)代替用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)
●分布共享資源動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)同步技術(shù)
采用“復(fù)制”同步技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，確保分布在不同地點(diǎn)的數(shù)據(jù)自動(dòng)同步更新，從而保證數(shù)據(jù)的一致性
●基于WTO模式的互激勵(lì)集成計(jì)費(fèi)管理技術(shù)
參照WTO（世界貿(mào)易組織）模式，建立聯(lián)邦成員共同遵守的運(yùn)營(yíng)協(xié)議，以及聯(lián)邦成員之間互利互惠的特定服務(wù)協(xié)議
下圖是本平臺(tái)與Pc anywhere、VNC、Terminal Service、NetMeeting的比較。
圖3 網(wǎng)絡(luò)化產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的平臺(tái)與其他平臺(tái)的比較
目前，基于網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)已得以應(yīng)用，開(kāi)發(fā)出了新一代醫(yī)用心血管造影介入治療系統(tǒng)以及高速公路清掃車(chē)，并且該技術(shù)在科技園區(qū)、孵化基地的數(shù)百家企業(yè)應(yīng)用
4、產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的多學(xué)科協(xié)同設(shè)計(jì)、仿真和優(yōu)化MDO
產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的協(xié)同化包括多學(xué)科協(xié)同設(shè)計(jì)、仿真和優(yōu)化，所謂多學(xué)科仿真包括：協(xié)同優(yōu)化平臺(tái)功能、Nelder-Mead算法、混合進(jìn)化算法DE-NMR。
協(xié)同優(yōu)化平臺(tái)功能：優(yōu)化模型建立與分析、確定仿真優(yōu)化環(huán)境、仿真優(yōu)化和優(yōu)化結(jié)果后處理。
Nelder-Mead算法：直接搜索算法（Direct Search Method）的一種。直接搜索算法在非線(xiàn)性?xún)?yōu)化中具有重要的位置，被廣泛應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)、化學(xué)、管理等領(lǐng)域。
混合進(jìn)化算法DE-NMR：結(jié)合了DE算法的全局收斂性以及Nelder-Mead算法改進(jìn)算法的局部搜索速度，能在較短的時(shí)間內(nèi)搜索到最優(yōu)解。
網(wǎng)絡(luò)化側(cè)重于互聯(lián)、互通、互操作，協(xié)同化強(qiáng)調(diào)優(yōu)化技術(shù)，包括協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)、協(xié)同仿真平臺(tái)、協(xié)同優(yōu)化平臺(tái)。具體應(yīng)用如高速軌道車(chē)輛，通過(guò)改變車(chē)廂懸掛系統(tǒng)一系、二系的彈簧剛度、阻尼器阻尼值等變量的值，進(jìn)行多種工況下的仿真，得出不同工況下的舒適性指標(biāo)、曲線(xiàn)通過(guò)性能、安全性指標(biāo)（包括脫軌系數(shù)、減載率、輪軌橫向力、輪軸橫向力、傾覆系數(shù)）等。
5、智能設(shè)計(jì)、制造與智能工廠
智能設(shè)計(jì)的應(yīng)用比較廣泛，但系統(tǒng)的應(yīng)用還沒(méi)有。目前，我們?cè)谧鲆粋�(gè)課題，研究了關(guān)于智能設(shè)計(jì)與制造的背景以及智能設(shè)計(jì)、智能制造、智能管理。信息技術(shù)驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)品高端化的需求拉動(dòng)，資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的需求拉動(dòng)，大批量定制——低成本、快速滿(mǎn)足用戶(hù)的個(gè)性化需求，化解勞動(dòng)力成本上升的困境等是智能設(shè)計(jì)與制造產(chǎn)生的背景。智能設(shè)計(jì)包括數(shù)字化、知識(shí)化、模塊化、協(xié)同化，智能制造包括透明化、集成化、極限化、綠色化，智能管理包括可視化、人性化、集成化。
從下圖，可以泛在感知智能制造與智能工廠所涵蓋的內(nèi)容及所歷經(jīng)的階段。
圖4 智能制造與智能工廠
下文將列舉一個(gè)工業(yè)創(chuàng)新的實(shí)例，德國(guó)德累斯頓不僅是響譽(yù)歐洲的文化名城，而且100多年來(lái)，薩克森的汽車(chē)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)都在國(guó)際上占有領(lǐng)先地位。如今，在薩克森有四個(gè)知名的德國(guó)汽車(chē)制造商設(shè)有生產(chǎn)基地：大眾汽車(chē)、保時(shí)捷、寶馬和尼奧普蘭，另外還有500多家配件供應(yīng)商在薩克森開(kāi)設(shè)了工廠，員工超過(guò)70000人。目前，汽車(chē)制造業(yè)大約占薩克森州工業(yè)銷(xiāo)售產(chǎn)值的20%，占出口產(chǎn)值達(dá)32%，成為薩克森州加工業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)。
為什么德累斯頓既能成為文化名城又是工業(yè)中心了？因?yàn)樗麄冇?ldquo;玻璃工廠”，大眾汽車(chē)公司將一個(gè)完整的環(huán)境方案納入整體規(guī)劃，包括燈光照明布置、氣候和通風(fēng)系統(tǒng)、保護(hù)敏感的動(dòng)植物以及保持城市生活質(zhì)量等多個(gè)方面。所以，在大樓建造的時(shí)候就注重結(jié)構(gòu)深度盡量淺，以確保足夠的滲水面積，保持地下水的平衡。面積50000平方米的室外區(qū)域，設(shè)計(jì)為綠化面積和水面。大樓四周，使用擴(kuò)音器播放多種鳥(niǎo)類(lèi)鳴叫的聲音，使鳥(niǎo)兒遠(yuǎn)離玻璃幕墻，室外區(qū)域內(nèi)安裝了特制的鈉氣燈，黃色系的燈光不會(huì)驚擾鄰近植物園內(nèi)的昆蟲(chóng)。德累斯頓市中心用玻璃建造一家高度現(xiàn)代化的汽車(chē)生產(chǎn)廠，將技術(shù)與文化、現(xiàn)代化的生產(chǎn)和體驗(yàn)緊密聯(lián)系了起來(lái)。建筑設(shè)計(jì)師君特•赫恩教授（Prof.Dr. Gunter Henn）認(rèn)為：工廠的玻璃幕墻吸取了德累斯頓的歷史和建筑的成就，使相鄰的居住區(qū)域和花園美景自然地結(jié)合在一起。如今，透明工廠已經(jīng)成為所在城市、市民生活和文化活動(dòng)的重要組成部分。成功地使“工業(yè)回歸市中心”。
“玻璃工廠”帶動(dòng)智能交通與物流技術(shù)發(fā)展，也帶動(dòng)智能電網(wǎng)與能源技術(shù)發(fā)展及智能城市文化發(fā)展。如果說(shuō)B777是數(shù)字化技術(shù)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品創(chuàng)新的標(biāo)志性成果，那么玻璃工廠是又一個(gè)關(guān)于創(chuàng)新設(shè)計(jì)、制造的標(biāo)志性進(jìn)展。如果說(shuō)B777是人類(lèi)征服自然的一次重要?jiǎng)?chuàng)新，那么玻璃工廠則是人與自然和諧共處的偉大創(chuàng)舉。
圖5 玻璃工廠
6、結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)波音777和玻璃工廠兩個(gè)工業(yè)創(chuàng)新的例子給我們的啟發(fā)是：不僅人類(lèi)征服自然要?jiǎng)?chuàng)新，人類(lèi)與環(huán)境和諧共處也需要?jiǎng)?chuàng)新。創(chuàng)新不可缺少。
工業(yè)化仍然是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主旋律，制造業(yè)是工業(yè)化的核心內(nèi)容，信息化是關(guān)系到工業(yè)化轉(zhuǎn)型升級(jí)、提升GDP質(zhì)量、提高人民生活水平影響全局的關(guān)鍵因素。我國(guó)未來(lái)對(duì)制造業(yè)信息化的需求將是持續(xù)的、迫切的。
產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的4個(gè)方面：數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、協(xié)同化和智能化對(duì)于企業(yè)的發(fā)展具有重要作用，但如何應(yīng)用取決于問(wèn)題的類(lèi)型、需求。
國(guó)產(chǎn)工業(yè)軟件，仍然處于弱勢(shì)（特別是高端工業(yè)軟件）。雖然短期內(nèi)不易突破，但希望有所進(jìn)步。
本文根據(jù)清華大學(xué)吳澄院士在“2012中國(guó)制造業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新數(shù)字化國(guó)際峰會(huì)”上的發(fā)言錄音整理，未經(jīng)本人確認(rèn)！
核心關(guān)注：拓步ERP系統(tǒng)平臺(tái)是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用，蘊(yùn)涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念，功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理，全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域，是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴(lài)品牌。
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本文標(biāo)題：清華大學(xué)吳澄院士《信息技術(shù)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品創(chuàng)新》
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