01 引言

　　產(chǎn)品是一個(gè)企業(yè)賴(lài)以生存的核心，企業(yè)為了能夠在殘酷的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中存活，需要不斷地研發(fā)新產(chǎn)品或持續(xù)迭代已有的產(chǎn)品。

　　進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著互聯(lián)網(wǎng)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，市場(chǎng)上除了如鞋襪、汽車(chē)、機(jī)械裝備等實(shí)體產(chǎn)品，以網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、音樂(lè)或軟件為代表的虛擬產(chǎn)品，在當(dāng)前市場(chǎng)中的占比迅速增加。相較于傳統(tǒng)的實(shí)體產(chǎn)品，虛擬產(chǎn)品的研發(fā)和迭代具有響應(yīng)速度快、資產(chǎn)輕和門(mén)檻低的顯著優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還能為企業(yè)帶來(lái)可觀的利潤(rùn)。

　　相較于虛擬產(chǎn)品的這些優(yōu)勢(shì)，傳統(tǒng)實(shí)體產(chǎn)品，特別是機(jī)械類(lèi)產(chǎn)品的研發(fā)和迭代則普遍存在投入成本高，市場(chǎng)響應(yīng)慢和研發(fā)周期長(zhǎng)等劣勢(shì)。同時(shí)隨著市場(chǎng)和工業(yè)化的進(jìn)一步成熟，傳統(tǒng)企業(yè)的實(shí)體產(chǎn)品研發(fā)迭代中的劣勢(shì)正在被進(jìn)一步放大。首先，產(chǎn)品間的同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)變得愈發(fā)激烈，利潤(rùn)空間被不斷壓縮，越來(lái)越多的制造型企業(yè)深陷價(jià)格戰(zhàn)的困局中。

　　其次，隨著物質(zhì)生活的愈發(fā)豐富，消費(fèi)者的選擇和需求愈發(fā)多樣化，市場(chǎng)已進(jìn)入VUCA( Volatility，Uncertainty，Complexity，Ambiguity)時(shí)代，這使得企業(yè)對(duì)市場(chǎng)需求預(yù)測(cè)和響應(yīng)變得更加困難。最后，市場(chǎng)留給企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)和迭代的時(shí)間正在不斷縮短，產(chǎn)品迭代不及時(shí)所帶來(lái)的后果，將使企業(yè)市場(chǎng)份額大幅度下降?；诋?dāng)前的市場(chǎng)背景，結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，羅列并分析了傳統(tǒng)制造企業(yè)采用的傳統(tǒng)產(chǎn)品研發(fā)策略中所面臨的問(wèn)題。

　　針對(duì)這些問(wèn)題，基于 MBSE、PLM 系統(tǒng)，數(shù)字孿生和 3D 打印技術(shù)等先進(jìn)的數(shù)字化方法論和工具，逐一描述了使用這些工具解決對(duì)應(yīng)痛點(diǎn)的思路與方法。同時(shí)，本文還針對(duì)這些孤立工具所可能帶來(lái)的“信息孤島”問(wèn)題，提出了一種組合型數(shù)字化解決方案的系統(tǒng)模型ConTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，并詳述了其具體的工作流程。在本文的最后，羅列了傳統(tǒng)制造型企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)數(shù)字化轉(zhuǎn)型過(guò)程中會(huì)面臨的挑戰(zhàn)。

　　02 對(duì)傳統(tǒng)制造企業(yè)研發(fā)管理問(wèn)題分析

　　2.1 研發(fā)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)對(duì)市場(chǎng)需求響應(yīng)慢

　　20世紀(jì)60~70年代，一輛汽車(chē)經(jīng)過(guò)圖樣、物理樣車(chē)實(shí)測(cè)、定型，產(chǎn)品周期為6~7年。而如今，一輛普通汽車(chē)從設(shè)計(jì)到定型時(shí)間為3~4年，新產(chǎn)品的迭代時(shí)限也在變得越來(lái)越短。產(chǎn)品越快迭代入市，就意味著更大的市場(chǎng)份額，更快的研發(fā)投入回籠。更重要的是，能更早獲取寶貴的市場(chǎng)反饋并迅速用于下一代產(chǎn)品迭代中。當(dāng)企業(yè)市場(chǎng)部洞察，捕獲和分析到市場(chǎng)需求變化時(shí)，這些信息本該及時(shí)傳遞到產(chǎn)品團(tuán)隊(duì)，但是由于傳統(tǒng)產(chǎn)品管理組織結(jié)構(gòu)的臃腫，這個(gè)過(guò)程往往異常緩慢。即便研發(fā)部門(mén)知悉這些需求，做出了響應(yīng)，其結(jié)果也需要很長(zhǎng)時(shí)間傳導(dǎo)回市場(chǎng)。在短產(chǎn)業(yè)鏈行業(yè)中這個(gè)問(wèn)題還不顯著，但對(duì)于諸如汽車(chē)、民用航空工業(yè)等復(fù)雜的、供應(yīng)鏈長(zhǎng)的機(jī)械裝備產(chǎn)品，每一個(gè)環(huán)節(jié)所消耗的時(shí)間成本，都是在使用企業(yè)最寶貴的市場(chǎng)響應(yīng)速度和份額作為代價(jià)。

　　2.2 團(tuán)隊(duì)內(nèi)部溝通低效

　　一件產(chǎn)品從需求轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，第一步要求的是產(chǎn)品團(tuán)隊(duì)對(duì)需求有正確的理解，傳統(tǒng)的產(chǎn)品需求都是基于文字描述的，其內(nèi)容會(huì)由于解讀者理解上的偏差而出現(xiàn)“二義性”，錯(cuò)誤的需求解讀，將會(huì)給產(chǎn)品的研發(fā)項(xiàng)目帶來(lái)巨大的隱患。研發(fā)團(tuán)隊(duì)成員由于不同的專(zhuān)業(yè)背景和工作職責(zé)，對(duì)待這些文檔，很容易產(chǎn)生“二義性”。為消除“二義性”，不論是研發(fā)團(tuán)隊(duì)，還是跨部門(mén)合作，需要投入大量的時(shí)間與精力去溝通、核實(shí)。這些額外的成本還會(huì)隨著產(chǎn)品復(fù)雜度的增加和產(chǎn)業(yè)鏈的延長(zhǎng)而迅速水漲船高。而越來(lái)越多資源的投入，除了推高產(chǎn)品的研發(fā)成本外，實(shí)際上對(duì)于消除“二義性”，效果非常有限。

　　2.3 產(chǎn)品版本管理失效風(fēng)險(xiǎn)高

　　產(chǎn)品需要不斷迭代，相對(duì)舊版本產(chǎn)品，新版本產(chǎn)品中的一個(gè)或多個(gè)子系統(tǒng)會(huì)發(fā)生變更。而各子系統(tǒng)可能是由不同設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)乃至是外部供應(yīng)商來(lái)完成的，一個(gè)正確的產(chǎn)品版本迭代應(yīng)該是其某個(gè)子系統(tǒng)變更后，與之相關(guān)的所有內(nèi)容都應(yīng)該變更并保持最新版本。但是由于機(jī)械類(lèi)產(chǎn)品（汽車(chē)、飛行器和機(jī)械裝備等）的高復(fù)雜性，在多次產(chǎn)品迭代后，子系統(tǒng)的版本數(shù)量巨大，如若管理不當(dāng)，將導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部版本的匹配錯(cuò)誤，這種錯(cuò)誤將直接傳導(dǎo)到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中，將給企業(yè)帶來(lái)致命的損失。傳統(tǒng)的版本管理（基于文檔）在復(fù)雜系統(tǒng)產(chǎn)品的管理中本就需要耗費(fèi)巨大的人力物力，再加上越來(lái)越多且差異巨大的產(chǎn)品分類(lèi)，輔以高頻率的變更需求。繼續(xù)使用傳統(tǒng)的管理方法，越來(lái)越多的資源投入無(wú)法有效降低產(chǎn)品版本的錯(cuò)配比率。

　　2.4 市場(chǎng)對(duì)企業(yè)正向研發(fā)能力要求提高

　　多年來(lái)，中國(guó)承接了世界各地的生產(chǎn)訂單，憑借自身價(jià)低質(zhì)優(yōu)的勞動(dòng)力，成長(zhǎng)為名副其實(shí)的“世界工廠”，目前www.cechina.cn，中國(guó)生產(chǎn)的各類(lèi)產(chǎn)品，大部分依舊是中低價(jià)值的工業(yè)品，甚至很多產(chǎn)品是依照國(guó)外同型產(chǎn)品逆向工程得來(lái)的。這種方式在一定程度減少了企業(yè)的研發(fā)投入，但如今，隨著國(guó)家人口紅利的減少，知識(shí)侵權(quán)成本增加，還有與發(fā)達(dá)國(guó)家之間不斷增加的貿(mào)易摩擦，令那些一直依賴(lài)逆向工程獲取利潤(rùn)的企業(yè)如坐針氈。市場(chǎng)強(qiáng)迫企業(yè)必須進(jìn)行產(chǎn)品的正向研發(fā)與創(chuàng)新，從而獲取獨(dú)屬于自己的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。但傳統(tǒng)的產(chǎn)品研發(fā)管理流程，普遍存在目標(biāo)不明確、研發(fā)流程不清晰、投入多和見(jiàn)效慢等問(wèn)題。

　　2.5 產(chǎn)品設(shè)計(jì)同生產(chǎn)條件不匹配

　　任何產(chǎn)品都需要通過(guò)生產(chǎn)后才能交付客戶，因此產(chǎn)品在設(shè)計(jì)階段，除需要考慮產(chǎn)品的功能實(shí)現(xiàn)以外，還需要考慮到相關(guān)設(shè)計(jì)同當(dāng)前生產(chǎn)條件的契合度，這在機(jī)械行業(yè)尤其重要。事實(shí)上，由于很多研發(fā)人員缺乏生產(chǎn)一線的裝配工作經(jīng)驗(yàn)，因此很多實(shí)驗(yàn)室中優(yōu)秀的設(shè)計(jì)，在正式投產(chǎn)時(shí)就會(huì)遇到麻煩，例如：工裝短缺，裝配復(fù)雜導(dǎo)致的生產(chǎn)成本激增，甚至可能由于設(shè)計(jì)缺陷所導(dǎo)致的生產(chǎn)設(shè)備損壞乃至是報(bào)廢。那么如何在產(chǎn)品正式投產(chǎn)前就能夠準(zhǔn)確評(píng)測(cè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)合理性，成為了很多企業(yè)急需解決的問(wèn)題。

　　2.6 復(fù)雜工業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈管理協(xié)同困難

　　在世界互為一體的大背景下，研發(fā)團(tuán)隊(duì)可能是由不同國(guó)家團(tuán)隊(duì)和供應(yīng)商組成的。首先，這種跨區(qū)域合作，能為產(chǎn)品帶來(lái)新穎的設(shè)計(jì)思路，亦能降低某些子系統(tǒng)的研發(fā)成本。但是多元團(tuán)隊(duì)所帶來(lái)的挑戰(zhàn)也很大，首先是巨大的溝通成本，這些成本主要由時(shí)區(qū)、語(yǔ)言和文化差異所導(dǎo)致。更麻煩的是，若產(chǎn)品組成來(lái)源復(fù)雜（如數(shù)控機(jī)床、汽車(chē)和民用航空器等裝備），不同相關(guān)方，如客戶、供應(yīng)商等，他們通常都擁有不同的管理流程、不同標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)發(fā)工具和數(shù)據(jù)管理平臺(tái)。如果無(wú)法整合上下游伙伴之間的數(shù)據(jù)池，那么這個(gè)鏈條當(dāng)中所有相關(guān)方都將被迫繼續(xù)在這個(gè)復(fù)雜、低效且溝通成本高昂的產(chǎn)業(yè)鏈中互相協(xié)作。

　　2.7 產(chǎn)品知識(shí)封裝，追溯和復(fù)用能力弱

　　優(yōu)秀的工程師永遠(yuǎn)是研發(fā)團(tuán)隊(duì)最寶貴的財(cái)富，對(duì)于傳統(tǒng)制造業(yè)，特別像機(jī)械這類(lèi)看重經(jīng)驗(yàn)的企業(yè)，很多研發(fā)項(xiàng)目皆是因?yàn)殛P(guān)鍵技術(shù)人員的離開(kāi)而中止，即便有新專(zhuān)家接手，項(xiàng)目也會(huì)因?yàn)楹芏鄬氋F經(jīng)驗(yàn)或知識(shí)的遺失而繼續(xù)陷入困境。即便知識(shí)能夠遺留下來(lái)，在無(wú)數(shù)次產(chǎn)品迭代后也很容易被埋沒(méi)在浩如煙海的技術(shù)文檔中，若依靠傳統(tǒng)的知識(shí)管理模式，后期需要對(duì)產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)或是設(shè)計(jì)版本溯源，都將陷入巨大的麻煩中。同時(shí)，由于始終無(wú)法有效整理和復(fù)用過(guò)去研發(fā)中獲取的寶貴知識(shí)，企業(yè)始終不得不持續(xù)通過(guò)高薪留住相關(guān)技術(shù)人才，這不僅大幅增加人力成本，還加劇產(chǎn)品對(duì)部分人員的過(guò)度依賴(lài)，最后，調(diào)高了企業(yè)的用人門(mén)檻。

　　2.8 定制化產(chǎn)品研發(fā)成本高昂

　　自工業(yè)進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)代，標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)思維，不僅能幫助普通人獲得更多物美價(jià)廉的工業(yè)品，也幫助制造企業(yè)降低了產(chǎn)品研發(fā)，迭代和制造的成本。但隨著標(biāo)準(zhǔn)化工業(yè)的成熟，市場(chǎng)趨近飽和，越來(lái)越多的行業(yè)出現(xiàn)同質(zhì)性競(jìng)爭(zhēng)，并最終陷入價(jià)格戰(zhàn)的死循環(huán)，企業(yè)殺出重圍的新方法，就是定制化的產(chǎn)品戰(zhàn)略或向細(xì)分差異化領(lǐng)域下沉。這與傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)理論相悖。因?yàn)榭椭苹馕吨a(chǎn)品研發(fā)成本的上升，同時(shí)會(huì)令企業(yè)喪失一部分敏捷的市場(chǎng)適應(yīng)能力。因此既能依靠定制化產(chǎn)品和服務(wù)從同行中脫穎而出，又能有效控制成本和保證響應(yīng)能力，成為了很多企業(yè)希望達(dá)成的目標(biāo)。

　　03 產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)數(shù)字化轉(zhuǎn)型解決方案

　　使用四種前沿的數(shù)字化方法論和工具，逐條論述其解決相應(yīng)問(wèn)題的具體方法和過(guò)程。這些工具與產(chǎn)品研發(fā)問(wèn)題的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)下表。

表 產(chǎn)品研發(fā)問(wèn)題與解決方案對(duì)比表

　　3.1基于模型的系統(tǒng)工程方法論（MBSE）

　　傳統(tǒng)的產(chǎn)品管理（Traditional System Engineering，TSE），產(chǎn)品需求、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)文檔和圖樣等都是基于文檔管理。而基于模型的系統(tǒng)工程（Module based System Engineering，MBSE）是通過(guò)把研究對(duì)象的一些特性抽象出來(lái)，并使用標(biāo)準(zhǔn)化的表達(dá)方式進(jìn)行描述，從而進(jìn)一步進(jìn)行研究的形象化管理方法。該設(shè)計(jì)方法論最早被廣泛應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域，而現(xiàn)在，越來(lái)越多的實(shí)體領(lǐng)域也開(kāi)始使用這種先進(jìn)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路，它相對(duì)于傳統(tǒng)的產(chǎn)品管理方法，有如下優(yōu)勢(shì)：

　　第一，基于 MBSE 方法論的產(chǎn)品管理，嚴(yán)格基于需求（R）-功能（F）-邏輯（L）-物理結(jié)構(gòu)（P）的架構(gòu)來(lái)構(gòu)建產(chǎn)品模型，MBSE 中會(huì)首先將原始需求進(jìn)行分類(lèi)，分成諸如商業(yè)、功能、性能和物料需求等，模型中接下來(lái)的環(huán)節(jié)，都將嚴(yán)格按照某一項(xiàng)需求逐級(jí)展開(kāi)，如圖1所示，不同于傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)獨(dú)立于市場(chǎng)團(tuán)隊(duì)，基于 MBSE 方法論的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，將市場(chǎng)團(tuán)隊(duì)視為產(chǎn)品研發(fā)流程中最前端也最重要的伙伴，每當(dāng)需求變化，相關(guān)信息能夠迅速傳遞到后續(xù)環(huán)節(jié)中的所有團(tuán)隊(duì)ConTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，幫助團(tuán)隊(duì)成員及時(shí)感知變更，并響應(yīng)變更。在前文中列出的響應(yīng)慢的問(wèn)題，就可以獲得解決。

　　第二，在前文中羅列了“二義性”的問(wèn)題。MBSE 不同于 TSE，所有的需求和技術(shù)文檔都是通過(guò)文字描述的，所有產(chǎn)品系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，不論是需求、功能、邏輯還是物理架構(gòu)團(tuán)隊(duì)都強(qiáng)制使用標(biāo)準(zhǔn)的建模語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)和溝通，能從根本上解決這個(gè)問(wèn)題。

　　第三，針對(duì)前文中討論的產(chǎn)品版本管理所面臨的挑戰(zhàn)，基于 MBSE 的產(chǎn)品研發(fā)，當(dāng)參與研發(fā)的任何一方在某個(gè)分系統(tǒng)中發(fā)生變更，首先，該變更首先應(yīng)該由 MBSE 中設(shè)置的系統(tǒng)邊界條件進(jìn)行判定，不符合邊界條件的變更將會(huì)被自動(dòng)否決。即便通過(guò)判定，基于產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程框架，如圖1所示會(huì)依據(jù)產(chǎn)品模型內(nèi)部定義的各系統(tǒng)和模塊間的相關(guān)關(guān)系，向所有相關(guān)團(tuán)隊(duì)發(fā)送變更通知（理想系統(tǒng)中，相關(guān)聯(lián)部件參數(shù)也能夠自動(dòng)變更以匹配然后生成最新版本）；更重要的是，所有相關(guān)團(tuán)隊(duì)，都在統(tǒng)一系統(tǒng)平臺(tái)內(nèi)參與設(shè)計(jì)，確保團(tuán)隊(duì)每一次使用的產(chǎn)品系統(tǒng)模型都是最新版本，大幅降低版本誤用的風(fēng)險(xiǎn)。

圖 1 基于 MBSE 方法論的產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程框架

　　第四，MBSE 這種基于需求逐級(jí)關(guān)聯(lián)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法，是一種由外向內(nèi)，由粗到細(xì)，從無(wú)到有的正向產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路。在這個(gè)過(guò)程中，需求是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的方向，功能定義是產(chǎn)品的架構(gòu)，邏輯是連接各個(gè)系統(tǒng)的“神經(jīng)”，最后從物理實(shí)現(xiàn)角度出發(fā)，設(shè)置真實(shí)的物理約束條件（如質(zhì)量、大小、密度和能量等）。設(shè)計(jì)過(guò)程中，每一個(gè)環(huán)節(jié)任務(wù)明確，相互之間邏輯嚴(yán)密，設(shè)計(jì)過(guò)程中的每個(gè)環(huán)節(jié)既不容易遺漏，還都可以添加創(chuàng)新的元素。這能夠幫助企業(yè)有效解決文中指出的問(wèn)題，讓企業(yè)的研發(fā)目標(biāo)更加明確，研發(fā)流程更加清晰，正向研發(fā)效率也更高。目前市場(chǎng)中支持 MBSE 方法論的系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具，有Catiamagic 和 Capella 平臺(tái)。

　　3.2 產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)（PLM）

　　產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng) (Production Life-cycle Management，PLM) 是傳統(tǒng)產(chǎn)品信息管理系統(tǒng) (ProductData Management，PDM)在功能上的延伸。其與企業(yè)資源管理系統(tǒng) (Enterprise Resource Planning，ERP)一樣是企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型中的重要支柱，區(qū)別在于，PLM 管理的對(duì)象是所有與產(chǎn)品相關(guān)的數(shù)據(jù)，其管理涵蓋產(chǎn)品的整個(gè)生命周期，其中不僅包括圖樣、BOM 和生產(chǎn)工藝等，還囊括了需求管理、產(chǎn)品供應(yīng)鏈管理、產(chǎn)品售后維護(hù)和項(xiàng)目管理等，其具體功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖 2 PLM系統(tǒng)功能架構(gòu)圖

　　其主要能夠?yàn)槠髽I(yè)帶來(lái)如下的改善：

　　首先，PLM 系統(tǒng)理論上可以將整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的所有相關(guān)方整合為統(tǒng)一單元，這個(gè)單元既包含企業(yè)內(nèi)部的產(chǎn)品團(tuán)隊(duì)，也包含客戶和各級(jí)供應(yīng)商。從客戶視角來(lái)看（如 OEM 廠商），可以在這個(gè)平臺(tái)上追蹤產(chǎn)品項(xiàng)目的進(jìn)展?fàn)顩r或各子系統(tǒng)的就位情況。針對(duì)機(jī)械行業(yè)企業(yè)，部分 PLM 產(chǎn)品，除提供 2D 或 3D 圖樣的聯(lián)合繪制功能外，還集成了很多的CAD 和仿真軟件（如 CATIA、SolidWorks和有限元分析軟件 Abaqus 等），這使得合作方式從簡(jiǎn)單的協(xié)同制圖，逐漸過(guò)渡到協(xié)同仿真與協(xié)同調(diào)試。其能夠顯著提高產(chǎn)品上下游團(tuán)隊(duì)之間的溝通和合作效率，幫助企業(yè)有效克服所闡述的產(chǎn)業(yè)鏈管理協(xié)同困難的問(wèn)題。

　　同時(shí)，針對(duì)前文中提到的問(wèn)題，PLM 系統(tǒng)允許用戶依據(jù)產(chǎn)品特性、功能等，對(duì)產(chǎn)品的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)和封裝，這些數(shù)據(jù)包含需求、項(xiàng)目文檔、圖樣和工藝參數(shù)等關(guān)鍵信息，并可以對(duì)這些模塊進(jìn)行標(biāo)記。當(dāng)團(tuán)隊(duì)獲得一個(gè)新產(chǎn)品需求，研發(fā)團(tuán)隊(duì)可按照自定義的檢索邏輯，依據(jù)需求，將已標(biāo)記過(guò)的成熟模塊“拼裝”成對(duì)應(yīng)的新產(chǎn)品，從而有效復(fù)用先前產(chǎn)品的知識(shí)。相較于傳統(tǒng)的產(chǎn)品知識(shí)管理模式，對(duì)過(guò)往經(jīng)驗(yàn)的使用，將不再依賴(lài)于少數(shù)核心技術(shù)人員，通過(guò)對(duì)新舊知識(shí)的有效封裝，檢索邏輯的準(zhǔn)確定義，再結(jié)合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的知識(shí)復(fù)用流程，一名普通的團(tuán)隊(duì)成員也可以依靠系統(tǒng)勝任之前核心研發(fā)人員才能夠負(fù)擔(dān)的工作。既能夠降低項(xiàng)目夭折風(fēng)險(xiǎn)，又可以逐漸降低人力需求門(mén)檻。目前在市場(chǎng)當(dāng)中較為成熟的 PLM 產(chǎn)品有 UGS Teamcenter 和 3DE 平臺(tái)。

　　3.3 數(shù)字孿生

　　數(shù)字孿生是一種集成多物理、多尺度、多學(xué)科屬性，具有實(shí)時(shí)同步、忠實(shí)映射、高保真度特性控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，能夠?qū)崿F(xiàn)物理世界與信息世界交互與融合的技術(shù)手段[17]。其與傳統(tǒng)仿真技術(shù)剛好相反，是實(shí)物向虛擬世界的映射。理論上，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字孿生的實(shí)體裝備，其在虛擬空間中映射的模型，其靜態(tài)與動(dòng)態(tài)特性，都應(yīng)該與物理實(shí)體完全一致。

　　首先，在制造業(yè)領(lǐng)域，所有的產(chǎn)品在設(shè)計(jì)過(guò)程中都需要考慮生產(chǎn)匹配度的問(wèn)題。結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)，通過(guò)對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)某些關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備或產(chǎn)線進(jìn)行數(shù)字孿生，可以幫助研發(fā)團(tuán)隊(duì)在計(jì)算機(jī)內(nèi)部擁有一個(gè)“真實(shí)”的測(cè)試平臺(tái)，用于評(píng)估產(chǎn)品設(shè)計(jì)的合理性，最大程度避免由于前期設(shè)計(jì)缺陷所導(dǎo)致的生產(chǎn)問(wèn)題，尤其是避免設(shè)備的損壞甚至是報(bào)廢。

　　最后，針對(duì)前文中提到的問(wèn)題，研發(fā)團(tuán)隊(duì)亦可對(duì)某些關(guān)鍵零部件或子系統(tǒng)的物理樣機(jī)進(jìn)行數(shù)字孿生，這些模型繼承了物理設(shè)備的真實(shí)特性，因此可以被其他相關(guān)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)直接應(yīng)用到自己的仿真系統(tǒng)中，甚至是同真實(shí)的物理系統(tǒng)進(jìn)行線上、線下聯(lián)合調(diào)試，如圖3所示，幫助企業(yè)進(jìn)一步壓縮系統(tǒng)整合所需要的時(shí)間，大幅提升團(tuán)隊(duì)的研發(fā)速度。

圖3 基于數(shù)字孿生的在線聯(lián)合調(diào)試

　　3.4 3D 打印

　　增材制造技術(shù)俗稱(chēng) 3D 打印技術(shù)，是近30年快速發(fā)展的先進(jìn)制造技術(shù)，其優(yōu)勢(shì)在于三維結(jié)構(gòu)的快速和自由制造。文章已指出了制造業(yè)企業(yè)所面臨的同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)和市場(chǎng)高定制化需求帶來(lái)的雙重挑戰(zhàn)，3D 打印技術(shù)無(wú)疑是解決此類(lèi)問(wèn)題的利器，其可以在兩個(gè)方面有效提高定制化產(chǎn)品的研發(fā)效率并降低研發(fā)成本。首先，依靠 3D 打印，研發(fā)部門(mén)可快速獲得復(fù)雜結(jié)構(gòu)的測(cè)試零件，這些樣件能夠幫助團(tuán)隊(duì)進(jìn)行快速的定制化設(shè)計(jì)驗(yàn)證和試錯(cuò)，降低時(shí)間成本。同時(shí)，通過(guò) 3D 打印獲得的零部件，相比較于傳統(tǒng)采購(gòu)獲得的零件，成本下降明顯（包括物料成本、溝通成本、加工成本和運(yùn)輸成本等）。被節(jié)約出來(lái)的資金又可被用于更多的研發(fā)試錯(cuò)中。

　　04 組合型數(shù)字化解決方案

　　在上一部分介紹這幾種前沿?cái)?shù)字化工具的優(yōu)勢(shì)和使用方法，但遺憾的是，企業(yè)若只單獨(dú)使用，則往往只能在某些點(diǎn)帶來(lái)提高，且每一個(gè)新數(shù)字化工具的引入，就意味一個(gè)新“信息孤島”的產(chǎn)生。若各信息孤島之間無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)傳輸或是共享，那么越多工具的引入，就會(huì)對(duì)實(shí)際業(yè)務(wù)的正常開(kāi)展造成更多的負(fù)面影響。因此在數(shù)字化轉(zhuǎn)型中，這些工具的部署和使用，都應(yīng)該是基于對(duì)整體研發(fā)業(yè)務(wù)需求和對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)互相兼容的原則下逐步實(shí)施的，以避免陷入“局部最優(yōu)解”的窘境當(dāng)中去。本文所提及的方法論和工具，將他們組合起來(lái)作為一個(gè)整體，各系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流，在各組成機(jī)構(gòu)中傳輸和共享，每個(gè)工具的作用都將被最大化的利用。該組合型解決方案的模型架構(gòu)如圖4所示。

圖 4 組合型數(shù)字化解決方案架構(gòu)圖

　　這里以某零部件需求變更為示例來(lái)描述這個(gè)模型的工作流程。

　?、倏蛻粜枨笪臋n通過(guò) ERP 系統(tǒng)傳遞到企業(yè)的 PLM 系統(tǒng)中，由于該 PLM 系統(tǒng)中所有產(chǎn)品模型是基于 MBSE 方法論建立的，所以文字需求會(huì)被拆解，并最終提煉出客戶的需求，此示例中為零件的減重需求。

　?、谕ㄟ^(guò)檢索，企業(yè)在模型庫(kù)中檢索這個(gè)零件完整的 CAD 模型，基于以往封裝好的減重設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)包ConTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，PLM 系統(tǒng)能夠?qū)⑦^(guò)往的減重經(jīng)驗(yàn)直接復(fù)用在當(dāng)前零件當(dāng)中，并把這些方案的結(jié)果直接呈現(xiàn)在 3D 模型中。

　?、刍谶@些建議的模型，工程人員可以直接使用與 PLM 系統(tǒng)集成的仿真軟件對(duì)這些方案進(jìn)行類(lèi)似受力分析等的逐一驗(yàn)證，通過(guò)仿真結(jié)果擇優(yōu)選擇方案，若自動(dòng)生成的方案有瑕疵，則只人工介入進(jìn)行微調(diào)即可，同時(shí)，最終確定的模型，也可以在通過(guò)數(shù)字孿生所搭建的生產(chǎn)線中進(jìn)行模擬生產(chǎn)，以評(píng)估方案的制造可行性。

　　④通過(guò)仿真和驗(yàn)證后的零件將觸發(fā) PLM 系統(tǒng)內(nèi)的變更管理，基于 MBSE 中設(shè)計(jì)的產(chǎn)品系統(tǒng)架構(gòu)，所有與之相關(guān)的團(tuán)隊(duì)都將收到變更通知。相關(guān)團(tuán)隊(duì)會(huì)使用新零件模型在自己負(fù)責(zé)的系統(tǒng)中進(jìn)行仿真驗(yàn)證，無(wú)誤后，在系統(tǒng)中確認(rèn)。

　?、莓?dāng)所有仿真確認(rèn)無(wú)誤后，變更進(jìn)入實(shí)機(jī)測(cè)試階段，研發(fā)團(tuán)隊(duì)可將新零件的 CAD 設(shè)計(jì)圖發(fā)送到 3D 打印團(tuán)隊(duì)，3D 圖樣在這里將被轉(zhuǎn)換為打印圖樣。只需要很少的時(shí)間，打印出的零件原型就被寄往測(cè)試中心，參與實(shí)機(jī)測(cè)試。

　?、蕻?dāng)實(shí)機(jī)測(cè)試通過(guò)后，新版本零件的設(shè)計(jì)圖、工藝參數(shù)和PLC 程序等關(guān)鍵信息，將通過(guò) PLM 系統(tǒng)直接上傳到本企業(yè)或者是關(guān)聯(lián)上下游企業(yè)的 MES 中，自動(dòng)替換舊版本生產(chǎn)資料。必要時(shí)，MES 也可以直接使用 3D 打印機(jī)從事生產(chǎn)活動(dòng)。

　?、咴摿慵O(shè)計(jì)參數(shù)也將被總結(jié)、分類(lèi)和封裝后保存在 PLM 系統(tǒng)當(dāng)中用于未來(lái)的復(fù)用。同時(shí) PLM 系統(tǒng)日志中記錄的流程信息又可被商務(wù)智能軟件用于項(xiàng)目成本、狀態(tài)、效率等商業(yè)領(lǐng)域的的數(shù)據(jù)監(jiān)控和分析當(dāng)中去。

　　05 產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)數(shù)字化轉(zhuǎn)型面臨的挑戰(zhàn)

　　數(shù)字化轉(zhuǎn)型能夠?yàn)閭鹘y(tǒng)制造企業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)與迭代注入更多的能量，但是在轉(zhuǎn)型過(guò)程中，仍面臨很多挑戰(zhàn)。

　　第一，是數(shù)據(jù)安全，傳統(tǒng)的業(yè)務(wù)管理主要基于物理的文檔和媒介，不法分子想要獲取大量的信息并非易事，但在數(shù)字化轉(zhuǎn)型后，大量甚至是全部企業(yè)數(shù)據(jù)都被存儲(chǔ)在虛擬空間并同產(chǎn)業(yè)鏈的上下游連接，這在加速信息分享的同時(shí)，也增大了企業(yè)數(shù)據(jù)遺失造成的損失，因此，在數(shù)字化轉(zhuǎn)型過(guò)程中，數(shù)據(jù)安全應(yīng)當(dāng)被作為最高優(yōu)先級(jí)，并始終貫穿于整個(gè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型過(guò)程中。

　　第二，一個(gè)行業(yè)中的上下游企業(yè)，擁有不同的管理流程，使用不同供應(yīng)商的數(shù)字管理工具，鑒于各大供應(yīng)商都采用孤立數(shù)字生態(tài)圈的競(jìng)爭(zhēng)策略，系統(tǒng)互不兼容，這為破除信息孤島設(shè)置了更多的人為障礙。

　　第三，數(shù)字化人才隊(duì)伍的培養(yǎng)，在數(shù)字化轉(zhuǎn)型過(guò)程中，企業(yè)面臨老員工不懂 IT 技術(shù)，外聘 IT 人員又不懂公司業(yè)務(wù)的窘境。如何維持老員工再學(xué)習(xí)和 IT 人才引進(jìn)之間的平衡，也是企業(yè)在進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)型過(guò)程當(dāng)中需要認(rèn)真思考的問(wèn)題。

　　第四，數(shù)字化轉(zhuǎn)型是一項(xiàng)系統(tǒng)化、復(fù)雜化、高風(fēng)險(xiǎn)和高投入的活動(dòng)。大型企業(yè)擁有足夠的資源進(jìn)行變革，進(jìn)而在某些領(lǐng)域進(jìn)一步加強(qiáng)優(yōu)勢(shì)。而對(duì)于很多身處同行業(yè)的中小企業(yè)而言，如何低耗高效地完成數(shù)字化轉(zhuǎn)型，也是頗具價(jià)值的議題。

　　06 結(jié)束語(yǔ)

　　列舉了在當(dāng)前越來(lái)越復(fù)雜、多變、且多樣化的市場(chǎng)背景下傳統(tǒng)制造企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與迭代過(guò)程中面臨的八個(gè)問(wèn)題，得出了使用 MBSE 方法論能夠有效解決產(chǎn)品研發(fā)團(tuán)隊(duì)響應(yīng)速度慢、溝通效率低、版本管理失效風(fēng)險(xiǎn)高和正向研發(fā)能力弱等四個(gè)結(jié)論，得出了使用數(shù)字孿生、PLM 系統(tǒng)和3D 打印技術(shù)能夠幫助企業(yè)有效解決產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)不匹配，產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同困難、知識(shí)復(fù)用率低和定制化開(kāi)發(fā)成本高等結(jié)論。最后，指出了獨(dú)立數(shù)字化工具的使用，會(huì)造成“信息孤島”的問(wèn)題，并提出了組合式解決方案的框架和模型，通過(guò)一個(gè)具體的用例詳細(xì)描述了該數(shù)字化組合解決方案的工作流程。傳統(tǒng)制造企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)數(shù)字化轉(zhuǎn)型過(guò)程將會(huì)面臨的數(shù)據(jù)安全，信息孤島和資源瓶頸這四大挑戰(zhàn)。