清華大學吳澄院士
1、我國制造業(yè)信息化
早在70年代，我國制造業(yè)就開始引入信息技術，到80年代開始了863計劃，專門設立了CIMS主題，在全國范圍開展制造業(yè)信息化的研究、開發(fā)和應用，每年有1-2千人全時投入。并且從黨的十五大起，“信息化” 在每次大會報告中都有明確的表示，這對我國經(jīng)濟、社會發(fā)展都起到了重要的導向作用。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)和高技術產(chǎn)業(yè)，推進國民經(jīng)濟信息化。
●“十六大”（2002）：以信息化帶動工業(yè)化，以工業(yè)化促進信息化。信息化是我國加快實現(xiàn)工業(yè)化和現(xiàn)代化的必然選擇。堅持以信息化帶動工業(yè)化，以工業(yè)化促進信息化，走出一條科技含量高、經(jīng)濟效益好、資源消耗低、環(huán)境污染少、人力資源優(yōu)勢得到充分發(fā)揮的新型工業(yè)化路子。
●“十七大”（2007）：堅持走中國特色新型工業(yè)化道路，推進信息化與工業(yè)化融合。
●“十八大”（2012）：堅持走中國特色新型工業(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，城鎮(zhèn)化和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化相互協(xié)調(diào)，促進工業(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)、將信息技術應用于經(jīng)濟、社會、生活等各個方面的歷史進程。
既然是一個進程，便有階段。公認的是信息化經(jīng)歷了：數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化，當然它還在發(fā)展中。
數(shù)字化：計算機的廣泛應用，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)絡化：通過網(wǎng)絡實現(xiàn)信息的互聯(lián)互通以至互操作。
智能化：對信息的進一步的智能處理（智能計算）以獲得更好的結果（資源更節(jié)省、效果更好……。）智慧和智能，簡單化的說，智慧更有人文的色彩，如指聰慧。而智能更多的是技術含義。智能指采用人工智能的理論、方法和技術，獲得具有擬人智能的特性或功能。
“需求牽引、技術驅動”是產(chǎn)品開發(fā)成功的兩個要點。下文主要是介紹數(shù)字技術、網(wǎng)絡技術、智能技術在產(chǎn)品創(chuàng)新研發(fā)中的應用。
2、數(shù)字化技術驅動產(chǎn)品創(chuàng)新的標志性成果及其相關技術
提到數(shù)字化，不能不講波音777，波音777是數(shù)據(jù)字技術驅動產(chǎn)品創(chuàng)新的標志性成果，數(shù)字化需求是90年代初，也是我們第一次訪問波音的時候歸納總結的。在1995年，在了解了波音777的整個設計制造過程后，我們從信息化角度，首先是數(shù)字化定義（Digital definition），做到了無紙化，此處的無紙化并非節(jié)約了紙張，而是打通了整個信息流；然后是數(shù)字化預裝配（Digital pre-assembly），即虛擬裝配，原來需要做結構樣機，現(xiàn)在直接在計算機上完成裝配，而且一次成功，大大縮短了樣機制做的時間；接下來是基于STEP的異構軟件之間的數(shù)據(jù)交換，以及基于廣域專用網(wǎng)的異地設計、制造（工作包方式24小時以內(nèi)處理），管理上采用Teamwork，整個Teamwork有238個團隊。因此，取得的效果也很明顯：B757、B767從設計到商業(yè)運行用了9-10年，而B777僅用了4.5年。同時，“空客”在技術上也受到美國技術的影響，包括A380，雖然其相比B777信息化水平?jīng)]有新的突破。同時，上述技術在很大程度上影響了我國，在航天、航空、汽車、機車車輛等應用，效益明顯。借助于B777的經(jīng)驗，我們在網(wǎng)上通過并行工程、虛擬制造（DFX)等技術，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)品開發(fā)時間40％。當前，這些技術（CAD/CAE、DFX、并行工程等）至今仍在發(fā)展，是重大應用離不開的技術。
圖1 數(shù)字化技術
3、網(wǎng)絡化技術驅動產(chǎn)品創(chuàng)新——互聯(lián)、互通和互操作
●支持網(wǎng)絡化產(chǎn)品開發(fā)的平臺應該是聯(lián)邦集成，所謂聯(lián)邦集成是指：
●支持跨地域、行業(yè)的多種應用服務
●實現(xiàn)用戶跨平臺點播，自動導航，無同時登陸人數(shù)限制；無登陸人員地點限制；
●實現(xiàn)平臺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)邦成員既能獨立運行，又能集成運行，任何聯(lián)邦成員的加入和退出都不影響其它聯(lián)邦成員的運行。
●平臺具有跨操作系統(tǒng)的能力：可以安裝在Windows 2000/2003，Windows XP，Unix，Linux系統(tǒng)下，而且對于客戶端也沒有任何限制。
滿足上述需求要有一個基礎架構并解決一系列關鍵技術。基礎架構包括：
●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不是一個系統(tǒng)的實現(xiàn)，而是一種平臺集成的框架體系標準，不僅要實現(xiàn)平臺的互聯(lián)、互通，更重要的是要實現(xiàn)網(wǎng)絡化制造平臺之間的互操作
●FIA主要由3部分組成：規(guī)則（rules)；對象模型模板（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)定服務的軟件實現(xiàn)其功能類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)行時所需的服務。
主要功能有6種，聯(lián)邦管理、資源管理、搜索管理、計費管理、調(diào)度管理和安全管理。FEI接口規(guī)范主要是通過各個聯(lián)邦成員節(jié)點來連接，如下圖：
圖2 FEI接口規(guī)范
涉及到的關鍵技術有：
●采用自適應的png格式圖像壓縮與解壓縮，局部更新png格式，并進行三次樣條插值的圖像壓縮與傳輸，交互式協(xié)同設計只需要1M帶寬以下，達到實時同步；
●基于數(shù)據(jù)過濾機制的動態(tài)資源信息按需傳輸技術
采用聲明管理和數(shù)據(jù)分發(fā)管理的思想，基于“匹配”機制
●分布式共享資源的服務調(diào)度技術
基于分類學對共享資源進行分類，將復雜的調(diào)度轉換為根據(jù)調(diào)度策略中描述的約束，對搜索結果的進行分類
達到“盡可能的提供符合約束條件的調(diào)度結果”并“兼顧服務的響應時間”兩者之間的平衡
●基于配置文件和廣播搜索模式的跨平臺聯(lián)邦搜索技術
●網(wǎng)絡化制造聯(lián)邦集成平臺的安全授信技術
保證本平臺的數(shù)據(jù)不被越權的泄露、修改、利用、限制和破壞——采取口令字控制
防止本平臺的用戶資料被其他的平臺獲得——采取用統(tǒng)一身份標識代替用戶訪問
●分布共享資源動態(tài)監(jiān)測和數(shù)據(jù)同步技術
采用“復制”同步技術來實現(xiàn)，確保分布在不同地點的數(shù)據(jù)自動同步更新，從而保證數(shù)據(jù)的一致性
●基于WTO模式的互激勵集成計費管理技術
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營協(xié)議，以及聯(lián)邦成員之間互利互惠的特定服務協(xié)議
下圖是本平臺與Pc anywhere、VNC、Terminal Service、NetMeeting的比較。
圖3 網(wǎng)絡化產(chǎn)品開發(fā)的平臺與其他平臺的比較
目前，基于網(wǎng)絡化技術已得以應用，開發(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，并且該技術在科技園區(qū)、孵化基地的數(shù)百家企業(yè)應用
4、產(chǎn)品創(chuàng)新設計中的多學科協(xié)同設計、仿真和優(yōu)化MDO
產(chǎn)品創(chuàng)新設計中的協(xié)同化包括多學科協(xié)同設計、仿真和優(yōu)化，所謂多學科仿真包括：協(xié)同優(yōu)化平臺功能、Nelder-Mead算法、混合進化算法DE-NMR。
協(xié)同優(yōu)化平臺功能：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性優(yōu)化中具有重要的位置，被廣泛應用于工程設計、化學、管理等領域。
混合進化算法DE-NMR：結合了DE算法的全局收斂性以及Nelder-Mead算法改進算法的局部搜索速度，能在較短的時間內(nèi)搜索到最優(yōu)解。
網(wǎng)絡化側重于互聯(lián)、互通、互操作，協(xié)同化強調(diào)優(yōu)化技術，包括協(xié)同設計平臺、協(xié)同仿真平臺、協(xié)同優(yōu)化平臺。具體應用如高速軌道車輛，通過改變車廂懸掛系統(tǒng)一系、二系的彈簧剛度、阻尼器阻尼值等變量的值，進行多種工況下的仿真，得出不同工況下的舒適性指標、曲線通過性能、安全性指標（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、智能設計、制造與智能工廠
智能設計的應用比較廣泛，但系統(tǒng)的應用還沒有。目前，我們在做一個課題，研究了關于智能設計與制造的背景以及智能設計、智能制造、智能管理。信息技術驅動，產(chǎn)品高端化的需求拉動，資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的需求拉動，大批量定制——低成本、快速滿足用戶的個性化需求，化解勞動力成本上升的困境等是智能設計與制造產(chǎn)生的背景。智能設計包括數(shù)字化、知識化、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
下文將列舉一個工業(yè)創(chuàng)新的實例，德國德累斯頓不僅是響譽歐洲的文化名城，而且100多年來，薩克森的汽車設計和制造技術都在國際上占有領先地位。如今，在薩克森有四個知名的德國汽車制造商設有生產(chǎn)基地：大眾汽車、保時捷、寶馬和尼奧普蘭，另外還有500多家配件供應商在薩克森開設了工廠，員工超過70000人。目前，汽車制造業(yè)大約占薩克森州工業(yè)銷售產(chǎn)值的20%，占出口產(chǎn)值達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？因為他們有“玻璃工廠”，大眾汽車公司將一個完整的環(huán)境方案納入整體規(guī)劃，包括燈光照明布置、氣候和通風系統(tǒng)、保護敏感的動植物以及保持城市生活質量等多個方面。所以，在大樓建造的時候就注重結構深度盡量淺，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，設計為綠化面積和水面。大樓四周，使用擴音器播放多種鳥類鳴叫的聲音，使鳥兒遠離玻璃幕墻，室外區(qū)域內(nèi)安裝了特制的鈉氣燈，黃色系的燈光不會驚擾鄰近植物園內(nèi)的昆蟲。德累斯頓市中心用玻璃建造一家高度現(xiàn)代化的汽車生產(chǎn)廠，將技術與文化、現(xiàn)代化的生產(chǎn)和體驗緊密聯(lián)系了起來。建筑設計師君特•赫恩教授（Prof.Dr. Gunter Henn）認為：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”帶動智能交通與物流技術發(fā)展，也帶動智能電網(wǎng)與能源技術發(fā)展及智能城市文化發(fā)展。如果說B777是數(shù)字化技術驅動產(chǎn)品創(chuàng)新的標志性成果，那么玻璃工廠是又一個關于創(chuàng)新設計、制造的標志性進展。如果說B777是人類征服自然的一次重要創(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、結束語
通過波音777和玻璃工廠兩個工業(yè)創(chuàng)新的例子給我們的啟發(fā)是：不僅人類征服自然要創(chuàng)新，人類與環(huán)境和諧共處也需要創(chuàng)新。創(chuàng)新不可缺少。
工業(yè)化仍然是我國經(jīng)濟發(fā)展的主旋律，制造業(yè)是工業(yè)化的核心內(nèi)容，信息化是關系到工業(yè)化轉型升級、提升GDP質量、提高人民生活水平影響全局的關鍵因素。我國未來對制造業(yè)信息化的需求將是持續(xù)的、迫切的。
產(chǎn)品創(chuàng)新設計開發(fā)的4個方面：數(shù)字化、網(wǎng)絡化、協(xié)同化和智能化對于企業(yè)的發(fā)展具有重要作用，但如何應用取決于問題的類型、需求。
國產(chǎn)工業(yè)軟件，仍然處于弱勢（特別是高端工業(yè)軟件）。雖然短期內(nèi)不易突破，但希望有所進步。
本文根據(jù)清華大學吳澄院士在“2012中國制造業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新數(shù)字化國際峰會”上的發(fā)言錄音整理，未經(jīng)本人確認！
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本文標題：清華大學吳澄院士《信息技術驅動產(chǎn)品創(chuàng)新》
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