設計工作的智能化

徐志磊

（中國工程物理研究院，四川綿陽 621900）

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設計工作的智能化

徐志磊

（中國工程物理研究院，四川綿陽 621900）

徐志磊 浙江寧波人，核武器工程設計專家，中國工程院院士，中國工程物理研究院研究員。曾任中國工程物理研究院總工程師。長期在國防科技領域從事尖端武器研究并做出重大貢獻，曾獲國家科技進步獎特等獎等多項獎勵。

當前，創新驅動發展戰略已成為國家主體戰略，創新在推動經濟發展中日益發揮重要作用。科學和技術是創新的源泉，將科技融入滲透到“創新”中去，設計制造出新興技術的產品，是提高國家競爭力的必由之路。設計工作是集成創新、制造、產品市場化過程中的重要環節，是產品創造價值過程中的重要環節；產品創造價值的過程，需要一個從設計開始到制造和服務相配合的綜合體系來完成。

以上的敘述，是當今時代的理念。回顧60年前，設計師工作是為大規模生產產品提供設計模型、制圖到人工物的視覺圖形構建，稱謂產品設計和工業設計。這些都是由設計師的大腦思維來構成和表達。

20世紀中葉，由于計算機技術的出現，人們開始在制造領域應用數字化控制機器，由此進入了數碼世界。設計工作也開始使用計算機輔助設計（CAD），在計算機屏幕上設計制圖，實現了人腦設計構思與計算機的信息交互，這種設計形式很快發展成為人機交互，超越輔助制圖解決更寬范圍的設計問題。

這時，設計實踐有兩種方向。其一是產品計算機工程設計，聚焦于物理和材料，人造物復雜產品必定是物理、力學環境和材料的集成。1990年代以來，從三維CAD、工程分析CAE到多學科優化、數字樣機、虛擬試驗分析、多尺度多物理建模與模擬有了長足的進步。現代先進設計技術還通過互聯網開發了全球設計與制造的協同工程，材料計算科學發展了材料設計制造工藝的以科學為基礎的模型分析合成的材料工程學乃至材料基因組技術。

新產品的研發過程，在以計算機設計為中心的驅動發展下，簡化、縮短了設計制造、試驗的周期和降低了成本，可顯著提升設計在產品研制過程中的效益。

計算科學和工程具有以下特征。

1）模擬和建模：實現人工物對象的物理建模和設計，構建產品，虛擬模型的虛擬試驗正在成為工程產品開發的重要方法。

2）多學科優化：任何實物產品，從內在設計構成到使用過程的環境承受都是客觀世界的多學科（物理、化學、生物學等）的組合，計算機有能力將多物理環境因素合成為產品行為表達，將多因素的變化規律影響自動進行綜合，人們分析和調節各項子因素的影響規律使合成的結果達到優化。

3）預測的功能：產品或材料在實際使用周期內、經歷的環境條件、在空間和時間兩方面的歷程，在產品設計、制造后會有不可預知的性能變化（例如復雜的超常環境，無法建造人工的環境條件去考核產品，以及產品在長期使用后性能和材料老化的后果影響），計算機可以通過已知規律的認識在一定范圍進行外推參數的設定，考察產品性能的承受能力和預測達到破壞閾值的條件和時間因素。

以上3點，已經表現出計算機在設計工作智能化方面的特點，某種程度上超越了人類認知領域的水平，但是它畢竟是人們給定的模型內的計算結果，內含著相當的不確定性，還是需要人的分析和工程驗證。

計算機設計的另一個發展方向是計算機人機交互的設計方法。

20世紀90年代以來，信息技術發生了革命性變化，計算機運算速度和儲存容量驚人上升，大數據和云計算提供了新的技術能力，“人機交互”涌現出新的形式，如觸摸界面、增強現實，數字指令轉換方式的改進（如語音識別）。原來人腦思維空間在現實世界設計構建人工物，現在人們創造了計算機+網絡的賽博空間（cyber s pace），它與人腦思維空間一起構成了CPS系統使信息智能化技術實現重大進步。這些技術創新的可能應用，使設計工作的范圍得到了很大擴展，設計從解決復雜產品的物理和材料設計轉向以人為中心，關注人的行動和為人服務。計算機和網絡將數據-信息-知識通過大數據分析融入到人的智慧，提升了設計、決策水平，使設計工作開始聚焦于創新、系統、用戶體驗、商業成功以及人們的生活改善。

今天，設計已經重新定義為對產品、系統、服務的策略性問題解決的過程。

設計工作從傳統的造物、造圖、造境發展到非物質領域，設計要為對人類社會有價值而服務。智能化設計輔助決策、判斷、推理和規劃，CPS系統、物聯網使設計和制造的過程實現優化。網絡化創新增強用戶體驗，優化為消費者服務，更好滿足用戶需求。

設計工作智能化以產品和服務為載體，實現技術創新、知識轉移和擴散，在社會、經濟、人文各領域創造更美好的世界。

隨著智能化基礎設施更大范圍的普及、生產勞動力形態發生了變化，工人不僅是生產線上一雙被雇傭的手，而是越來越多地成為知識工人、知識工作者，每個人將成為出售知識的服務者，智能化技術在整個經濟領域將發生重大變化，這將使“知識工作自動化”提上發展日程。超級計算機輔以大數據和云計算，使人機交互的數字化表達實現人工智能的發展趨勢明顯增強。我們期待設計工作智能化進一步向人工智能的方向邁進！

—— 摘自《科技導報》2016年 第9期