本文首先針對中國新工業體系建設過程中遇到的若干問題，指出了正向設計和數字化的重要性，然后就這若干問題提出數字化時代的正向研制體系，并將這個體系的三個核心體系——工業軟件、增材制造以及工業互聯——進行了綜述性說明，最后，對這三個核心體系總結歸納而成的數字孿生體系進行了討論。
01綜 述
“數字化時代的正向研制”體系是針對中國新工業體系建設中遇到的若干問題展開的研究成果而形成的技術體系的總結。這些問題包括：
? 正向設計思維缺失，系統化方法和支撐技術缺乏；
? 工業軟件無序，沒有以正向設計為導向實施應用；
? 設計制造割裂，舊研制模式成為正向設計的制約；
? 數字化研制技術應用范圍有限，未廣泛賦能工業；
? 數字化技術豐富但分散，沒有形成聚合賦能力量。
總結來說，這些問題包括兩個關鍵詞，第一個詞是“正向設計”，第二個詞是“數字化”。
之所以關注“正向設計”，是因為我們注意到，中國工業長期的跟蹤仿制所遺留下一個嚴重后遺癥，那就是中國工業在轉型升級過程中，一直缺乏正向設計思維，也缺少系統化的方法和完整的工具體系來支撐。這導致我們的工業軟件的應用是無序的，沒有以正向設計為導向來加以應用，所以工業軟件對正向設計的促進作用沒顯現出來。另外，設計與制造的割裂導致的問題，舊制造體系，特別是減材制造方式，加劇了對正向設計的制約，在我們從逆向工程向正向設計的突破努力過程中有意無意地拖了后腿。
兩個關鍵詞中的另一個是“數字化”。現在，雖然數字化技術已經發展到較高的程度，但在中國工業體系中只有少數大型企業得到一定應用，沒有在更為廣泛的企業，特別是中小企業沒有得到普遍應用。另外，數字化技術越來越豐富，但弊端是供應商越來越多，技術越來越分散，沒有形成聚合方式來為企業賦能，所以企業并沒在數字化技術豐富的過程中獲得相應的好處。
圖1. 數字化時代的正向研制體系
“數字化時代的正向研制”體系從三個相關分體系入手，來試圖在一定程度上解決這些問題。這三個分體系分別是工業軟件、增材制造和工業互聯。圍繞“正向設計”和“數字化”這兩個關鍵詞，每個分體系都具有不同的價值。譬如工業軟件的價值是“支撐正向設計的數字化研發”，增材制造的價值是“基于正向設計的數字化制造”，而工業互聯網則是“面向服務經濟的數字化賦能”。這三個分體系通過一個綜合體系將他們聚合起來可產生綜合價值，那就是數字孿生體系，產生的綜合價值是“打造虛實共智的數字化業態”。
這四個分體系還有各自的子體系，譬如工業軟件體系包含技術創新、工業仿真和精益研發子體系，增材制造包括正向設計、高端裝備和新工業品子體系，工業互聯包括仿真生態、知識生態和增材生態子體系，數字孿生則包括孿生工業、孿生城市和孿生戰場子體系。
02工業軟件——
支撐正向設計的數字化研發
工業軟件體系包含三個子體系：設計創新、工業仿真和精益研發。這三個子體系與正向設計都有直接關系：設計創新是正向設計價值的倍增器，工業仿真則是正向設計的驅動體系，精益研發則是正向設計的保障體系。所以，我們將工業軟件體系稱為“支撐正向設計的數字化研發”。
正向設計
正向設計是針對逆向工程來說的。如果一款產品是正向設計的，那么它的研發過程將是一個完整的V模型。這個模型有兩個特點，一個是設計起點比較高，從“涉眾需求”開始，走完一個完整的“V”字。另一個特點是兩邊對稱，右邊出問題了，到左邊相應的位置找到解決方案。而逆向工程是一個跟蹤仿制的模型，不是一個完整的V模型，一般會缺少V字左邊的三個重要的子過程，使得設計入手點就比較低，一般是從“物理設計”入手。由于兩邊不對稱，所以右邊出現問題的時候在左邊找不到對應的過程，因而也無法徹底解決問題。逆向工程由于缺少的三個重要子過程分別是需求、架構和系統設計過程，所以很難對產品進行大幅度創新。因此，只有正向設計體系才為我們提供架構性和顛覆性創新，最高超的仿制也只能產生最好的二流產品。
圖2 正向設計與逆向工程
設計創新
正向設計雖然提供了架構性和顛覆性創新的基礎，但在整個正向設計過程中，有許多環節需要具體的創新措施來落地，譬如架構創新、局部創新、工藝創新及集成創新等等。而設計創新方法論則提供了在整個研發周期的創新閉環。
設計創新體系是來自前蘇聯的一套體系，稱為TRIZ，是一套完整的技術創新方法論。據說這套體系是前蘇聯與美國進行科技競賽的秘密武器，當時因為這套體系的支撐，使得前蘇聯的工業創新速度和高度并不輸于美國。TRIZ體系的中心思想是“創新是有規律可循的，并是靈光一現的產物”。也就是說，按照創新規律，任何人都可以創新，所以創新并不是聰明人的專利。我們以TRIZ體系為核心進行的擴展性研究，并進行了工具軟件的開發，形成了一系列“計算機輔助創新”軟件。
圖3 設計創新方法論提供了在整個研發周期的創新閉環
工業仿真
工業仿真的本質是對正向設計的確認。在正向設計模型中，V的左半邊是設計過程，右半邊實際上是對左半邊的確認，這種確認是基于實物的確認。但在正向設計的前期并沒有實物樣機產生，所以對設計的確認只能在計算機中虛擬進行，所以正向設計每完成一個子過程，就會有一次仿真過程，這樣會形成一個多V模型。對仿真有一定程度的了解的人都覺得仿真的類型好豐富，構成好復雜，其實，從正向設計模型來解讀時，你會發現仿真的類型其實是比較有限的，是對正向設計的不同子過程的確認類型決定了仿真的類型，包括指標分析、功能分析、系統仿真、物理仿真、制造仿真等。多V模式讓我們得到一個形象的結論：仿真是正向設計的核心，這個結論從實踐上也證明是如此。
圖4 工業仿真的本質是對正向設計的確認
這個結論的另一個表述方式是仿真驅動研發，或者說仿真驅動產品正向設計。圖5的下半部分表示了1990年代的產品設計模式，那是試驗驅動產品設計的時代。當時仿真技術和軟件還很弱，只能對物理試驗發現的問題進行分析，所以無法真正驅動產品設計。圖5的上半部分則代表了當今世界的產品研發模式，稱為“仿真驅動產品設計”。在這個模式中，產品概念一旦產生，并不需要進行物理樣機的制造和試驗，只需要在計算機中對關鍵參數進行驗證和優化。經過多輪迭代，直到滿意為止，然后才進行詳細設計。很多情況下都不需要進行物理實驗，直接就制造和大批量生產。這就是仿真體系所帶來的巨大價值。可以說，因為仿真技術的進步，使得產品正向設計才能真正順利實現。
圖5 仿真驅動正向設計
精益研發
工業軟件體系的第三個子體系是精益研發，這個體系其實是對正向設計體系進行多個擴展后，最終形成的一個復雜研發模型。這個模型中除了正向設計的V模型和仿真核心之外，還有管理、資源、協同和共享等子體系，我們把這個完整模型稱為精益研發理想模型。模型中的其他體系其實本質上都是為正向設計保駕護航的，正向設計既是精益研發的核心，又是精益研發的保障對象。作為一個復雜體系，精益研發體系還可以細分成多個子體系，譬如需求工程、綜合仿真、系統設計、軟件工程、知識工程、流程管理、項目管理、虛擬試驗、質量管理、數字制造、產品平臺、智能協同、資源共享等等。
圖6 精益研發為正向設計保駕護航
03增材制造——
基于正向設計的數字化制造
增材制造分體系包括三個子體系，分別是正向設計、高端裝備和新工業品。我們把正向設計定義為增材制造體系中的一個子體系，是因為增材制造絕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工業體系的賦能技術，特別是對產品設計具有巨大影響，從而釋放工業品的無限創新潛力，讓全新型工業品的產生具有無限空間。
增材設計
圍繞正向設計，工業軟件和增材制造之間具有一種奇妙的哲學關系。以正向設計為核心和主線，工業軟件通過支撐正向設計，在全生命周期支撐增材制造過程的完成。在數字化的世界里，研發和制造不是先后串行和跟隨序貫關系，數字化研發和數字化制造之間是一種相生相長、生生不息的特征，兩者之間在任何時候都是相輔相成、相互輸送價值的過程。
圖7 工業軟件、正向設計和增材制造之間相生相長、
生生不息的辯證關系
這種哲學關系的存在，是因為正向設計與增材制造之間本身就也存在一種相互促進的辯證關系。首先，正向設計所提供的架構性創新徹底釋放了增材制造的價值，因為優化和創新到極致的設計，其結構往往也是復雜至極的，而不怕復雜正是增材制造的優勢所在。用增材制造技術加工傳統產品完全是一種浪費，不僅不能反映增材制造這樣一個顛覆式技術的優勢，反倒會給人一種多此一舉的負面影響，讓人們看到的完全是這種技術在速度和成本上的劣勢。所以離開了正向設計的增材制造就像鳥兒折去了翅膀。
反過來講，增材制造打通了正向設計的傳統瓶頸。在過去，正向設計如果想順利走完全程，一直都忌憚于一個關鍵過程，那就是工藝和制造過程。這個過程可能會對一個正向設計所產生的創新方案一票否決，理由就是你的產品是很創新，但我制造不出來。這往往會給設計人員一種懷才不遇的感覺。但是在增材制造時代，也就是數字化制造時代，不怕復雜，不論設計多么創新和復雜，都能制造出來。增材制造實際上賦予了正向設計無限自由，只需要從需求和功能出發來進行產品設計，而不需要考慮制造的約束，完全可以放飛自我，進行顛覆式創新。因此，增材制造相當于讓正向設計如虎添翼。
在增材正向設計中，有一些特別之處。第一項特別之處是創成式設計。這種設計方法完全不同于傳統的設計方法，使用的工具軟件也不是傳統的CAD軟件。創成式設計方法完全發揮算法和人工智能的長處，不需要人做過多干預，也不希望人做干預，因為人的思維定式缺陷可能會妨礙設計創新。我們只需要提供必要的設計限制，其余的完全交給算法來創造。這種新型的設計方法雖然不能替代正向設計和創新，但它是對人們大腦和眼界給予大幅度擴展。
圖8 增材正向設計中的特別要素
增材正向設計的第二項特別之處是多尺度仿真。仿真本身是正向設計中很正常的要求，特別是對于增材制造所提供的無限創新空間來說，設計本身是沒有規范和標準的，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，雖然是增材制造領域的新進入者，但卻具有領先優勢的原因。但在增材領域，仿真有個難題，那就是多尺度問題。用增材思維來看傳統制造的產品，其特點是傻大笨粗。可以肯定地說，任何一款傳統制造產品都有50%甚至更多的材料是冗余的。自然界的生物經過數億年的進化，都把結構優化到極致，絕不會生長一點多余的材料。這些結構，譬如樹枝或樹葉，他們都是具有細小紋理的多孔結構。在傳統制造世界，這種結構模式是不可想象的，但在數字化制造（增材制造）世界是再正常不過。但對這種結構的仿真難度很大。我們需要確認宏觀結構和微觀結構都是最優的，但在當前的仿真技術之下，兩種尺度的結構不能在同一個模型中出現，但還要在不同的計算中傳承對方的計算結果。宏觀結構的力學特性需要根據微觀結構來計算結果等效獲得，微觀結構的計算則需要宏觀結構的計算結果作為輸入。這些關聯工作是增材仿真過程的重點。
在增材正向設計的第三項關鍵技術是架構優化，在其他領域稱為拓撲優化，我更愿意將它稱為架構優化，因為在正向設計體系中，架構的創新和優化是首要工作。在架構優化中，我們并不需要對結構的形式做限定，只需要給出結構的受力和約束條件，軟件可以按照力的傳遞路徑自動找到最佳的結構形式。再結合創成式設計和多尺度仿真，對這個結構形式進行微觀設計和仿真。
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級裝備、核心裝備和組件、增材工藝和材料等。系統級的裝備包括有多個打印設備和周邊設備組成的體系組成，也包括單一打印整機，這是我們通常提供給工業界的系統級產品。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立產品供其他的裝備制造企業使用。增材工藝和材料特性往往是成對出現，因為一項工藝的可行性與材料特性有巨大關系。我們可以提供最優化的工藝包給用戶或者與其他裝備制造企業合作。這些各級裝備的細節，我們將會在未來的文章中做詳細介紹。
新工業品
我們對增材制造本質的理解是：基于增材思維對現在的工業體系進行賦能、改造甚至重構。我們堅決反對用增材制造手段來制造傳統產品，至少要對傳統產品進行再設計，甚至進行架構性創新，這將產生完全不同于以往的、極度創新的新工業品。我們不僅給工業體系提供正向設計技術、增材制造裝備，還要和各行業的龍頭企業合作研發完全創新型的工業品。微型渦輪機就是一個案例，是我們和航空發動機行業的某研究院合作研發一款新型渦輪機。過去的渦輪機械都是安裝在飛機這樣的大型裝備上，這樣的小型渦輪機可以在科幻片中見到，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，還具有超強攻擊力。傳統的研發和制造方式應對這么小型且高性能的渦輪機是很難想象的，正向設計和增材制造相結合，就變得具有巨大的創新空間，什么都成為了可能。
圖9 基于增材思維的新工業品研發——微型渦輪機
04工業互聯——
面向服務經濟的數字化賦能
基于工業互聯網技術，對工業軟件和增材制造體系進行改造，使系統或裝備可以在工業云上運行，同時可以對用戶提供服務，還可以建立社會化的生態，形成更大范圍的產業模式。這個體系中有三個子體系，分別是仿真云生態、知識云生態和增材云生態。
服務經濟
“服務經濟”是針對傳統的“產品經濟”來說的，實際上是云時代的工業新特征，可以讓產品經濟向服務經濟轉型。在制造業提出的服務型制造模式，及在軟件業提出的SaaS模式，都是服務經濟的在不同行業的表現形式。
在服務經濟中，有兩個特征，一個是“技術服務化”，一個是“服務開放化”。技術服務化指的是：產品不再是用來賣的，而是服務的載體。服務開放化指的是：服務不再只有供應商來提供，而是全社會都可以參與服務。在這兩大特征下，供應商和產品的目的和效果都是直接為用戶賦能，使其直接獲得價值，而不是他們通過購買生產工具——裝備或軟件——來間接獲得能力。
圖10 服務經濟的兩大特征：技術服務化和服務開放化
技術服務化和服務開放化這兩大特征的技術基礎便是工業互聯網，有時候也稱為工業云。在我們開放工業云的時候，同時就把我們研發的設備和軟件實現了技術服務化。用戶通過工業互聯網來使用我們的軟件和裝備，他們無需購買，只需按需使用，按照使用的頻次和時長來支付費用。用戶此時獲得的不是生產工具，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字化能力，同時也是通過數字化的方式所提供的，所以我們稱為“數字化賦能”。我們開放工業云的時候，其實產業中的其他供應商，或者社會上的知識和技術的擁有者，也可以通過這個工業云來提供服務。這種服務可以是裝備或軟件，也可以是知識和技術。這時候就是服務開放化了。
圖11 工業互聯網支撐技術服務化和服務開放化
很明顯，這種方式非常好地降低了數字化技術的經濟和技術門檻，讓過去只有大型企業才可以采納的數字化技術，普及到中小企業的千家萬戶中去。
仿真云生態
仿真云生態其實是通過工業云把仿真軟件、高性能硬件、仿真數據、社會化的技術服務人員聚合在一個平臺上形成一個利益共同體。SaaS化的仿真軟件依據訂閱時長收費，高性能硬件依據調用時間收費，社會化的技術人員可以通過這個平臺來為應用單位提供服務獲得報酬，也可以在這里開發和提供仿真APP來獲得收入。用戶則享受最經濟的軟件、最貼合需求的APP和最精準的技術服務。
圖12 仿真云將軟間、硬件、人和數據形成利益共同體
仿真軟件的供應不再是個別軟件，而是一站式供應很多種軟件，這是安世亞太的傳統優勢——可對接國際上大多數仿真軟件商。過去用戶購買仿真軟件的時候非常慎重，因為軟件非常昂貴，買來某一個就只能一直用這個，買錯了就麻煩了。但現在無需這么慎重，只需要在云上根據需要無壓力地提挑選，隨時更換，反正不用了就關閉，不用再付費。
圖13 全球仿真軟件的一站式供應
知識云生態
對知識進行管理是企業的天然需求。過去企業都是購買知識管理軟件來完成自家知識的管理，現在可以通過知識云平臺來免費使用軟件。我們通過平臺所管理的知識的數量來收費。也就是說，如果沒有知識，說明云平臺沒發揮價值，那用戶無需支付費用。但如果確實幫企業管理了知識，也就是說云平臺發揮了價值，則企業只需支付少量費用。這個平臺針對企業，我們希望幫企業打造學習型組織；針對個人，我們希望你的知識能變現，同時你的價值有所提升。
圖14 知識生態雙引擎：知識IPO和知識圖譜
知識云平臺提供了兩個引擎，一個是知識IPO，一個是知識圖譜。知識IPO引擎用來挖掘企業的隱性知識，促進企業的技術人員愿意將他的知識貢獻給企業。知識圖譜則是針對顯性知識進行掘金。企業一般都會有很多文檔資源，但這些文檔越多，也許越不能發揮知識價值，因為人們被埋沒在文檔的汪洋大海中，根本就找不到自己想要的文檔，而知識圖譜相當于提供了一個導航地圖。而且這些文檔作為單篇文檔來說，知識特征不強，只有把海量知識放在一起的時候，通過知識圖譜就能形成知識特征。
增材云生態
在增材云生態中，你并不需要買個3D打印機，只需要在這里設計你需要的產品，云平臺就可以選擇一家合適的打印機幫你打印出來，然后送貨上門。這臺打印機也許就在距離你家不遠的一個打印服務社，就像現在的圖片社一樣。當然你甚至都不需要設計，只需要在創客集市挑選一個設計，支付少量的費用，對這個設計做簡單的參數定制。如果你確實想玩一下打印機，這里也可以DIY你的打印設置，做出與眾不同的打印品。在這里，你可以安心做一個創客，不需要關心與創造無關的事情。
圖15 增材云生態讓你安心做一個創客
05數字孿生——
虛實共智的數字化業態
數字化的技術越來越豐富，前文介紹的數字化技術只是冰山一角。數字化技術豐富是好事，但也帶來煩惱。各自為政的數字化技術只會把物理世界的應用條塊分割，對數字化技術的用戶來說更是難度加大，很少有一家用戶可以應用這么多的數字化技術，更別說把它們整合成一個完整有效的體系。
數字孿生體綜述
因此，無論是數字化技術的供應商還是用戶，都需要一個整合化的技術模式，也需要一個聚合化的商業模式，于是數字孿生體便應運而生。該子體系中不僅將前三個相對獨立的數字化體系聚合成一個綜合體系，而且要發展社會上其他眾多數字化技術的供應商生態，為三個重要的數字孿生場景提供解決方案并進行工程落地，這三個場景分別是孿生工業、孿生城市和孿生戰場。
數字孿生體這一概念經過十幾年的發展，隨著數字化技術的進步和廣泛應用，使得這一概念發展成為一個完整體系，逐漸在各行業開始綜合化應用。
簡單來講，數字孿生體其實就是要建立一個物理世界的數字化鏡像。一個完美的數字孿生體應該能全面反映物理對象的所有特征和特性，物理世界的一舉一動在數字孿生體上都可以反映出來，并且可以預測其未來狀態。我們對數字孿生體進行操縱的時候，物理世界也隨之被操縱。這相當于提供了一個駕馭物理世界的簡便易行的方式，畢竟駕馭數字世界要容易的多。數字孿生生命體（圖16）則反映了數字世界和物理世界的互動關系。
圖16 數字孿生生命體模型
本圖上部是數字孿生體系框架，下部是物理對象的示意。物理對象在此圖中用于表達數字孿生世界與物理世界的關系，不是數字孿生體框架的要素。數字孿生體系架構包含以下要素：數字建模（軀體）、測量與控制（神經）、模擬仿真（左腦）、數據分析（右腦）、數字資產（社會性）和人機交互（四肢五官）。
成熟度、技術與場景
當然，這樣的數字孿生體并不需要一蹴而就。根據數字孿生體的完善程度，可以將其分為五個成熟度。我們把最高級的成熟度定義為“共智”，是數字孿生體的最理想形式，所以數字孿生體系稱也為“虛實共智的數字化業態”。
當然建立這樣一個相對完美的數字孿生體需要的數字化的技術非常多，圖16展示的數字化技術只是較為通用的技術，不同的應用場景還有更多專業技術。根據不同的應用場景來聚合不同的數字化技術是一個可行的道路。
數字孿生體的常見場景包括數字孿生工業，這其中又包括孿生研發、孿生制造、孿生供應和孿生運維等更小的分支。在民生方面，數字孿生城市是較為常見和綜合的場景。在軍事方面，數字孿生戰場是重要場景。這些場景將在我們未來的文章中討論。
圖17 數字孿生體場景、技術和成熟度
數字孿生體實驗室
我們需要再次強調的是，數字孿生體這樣一個綜合和巨大的體系，沒有一家企業靠一己之力和自家產品可以形成一個較為完整的解決方案，所以，我們成立的數字孿生體實驗室的重要目的是建立數字孿生生態，將與我們互補的數字化技術供應商聚合起來，針對不同的場景和應用對象，打造針對性解決方案，并合作進行工程化落地。《數字孿生體技術白皮書（2019年）》是該實驗室推出的研究報告，對數字孿生體理論、技術、場景和案例等方面做了研究和梳理。
圖18 數字孿生體實驗室打造數字孿生體生態
數字孿生體作為一個綜合的數字化體系，將對中國社會的數字化轉型提供支撐。我們將針對行業、地區、企業、園區、城市等，建立數字化轉型促進中心，提供整體規劃，法規與政策支持、示范中心建設、基礎設施建設、人才培養等支撐和服務。
圖19 數字化轉型促進中心模型
06結 語
我們相信，數字化時代的正向研制體系將對中國千萬家企業和城市的數字化轉型具有普適性的支撐和促進作用