智能制造體系重構創(chuàng)新研發(fā)模式

PTC公司高級售前總監(jiān) 紀豐偉

紀豐偉博士目前擔任PTC公司高級售前總監(jiān)，他專注于產(chǎn)品全生命周期管理（PLM）領域已超過17年，作為主要負責人領導和參與了多個國內外領先PLM項目的咨詢和實施工作。目前紀豐偉博士已在國家核心期刊上發(fā)表了19篇論文，其中6篇為美國工程索引EI收錄期刊，兩篇為英文論文。

紀豐偉博士畢業(yè)于清華大學，擁有機械制造及自動化專業(yè)博士學位。

構建智能制造體系的最終目的是為了幫助企業(yè)在新的競爭環(huán)境中形成新的競爭優(yōu)勢，這種優(yōu)勢有可能來自于產(chǎn)品本身（比如獨特的產(chǎn)品特性、顛覆性產(chǎn)品），有可能來自于企業(yè)的運營過程（比如更快的上市時間、更低的成本、更高的質量），也有可能來自于新的商業(yè)模式（比如個性化定制，服務型制造業(yè)轉型等）。產(chǎn)品創(chuàng)新、新的經(jīng)營形態(tài)或者商業(yè)模式是構建智能制造體系這一系統(tǒng)工程的三大要素。這其中，產(chǎn)品又是最為關鍵的要素。沒有好的產(chǎn)品，即使有好的經(jīng)營形態(tài)或者獨特的商業(yè)模式也很難成功，因為用戶體驗的最終載體還是產(chǎn)品本身。

智能制造系統(tǒng)之所以不同于之前的非智能制造系統(tǒng)，除了制造過程及其裝備的智能化之外，另一方面在于智能制造系統(tǒng)產(chǎn)出的是智能化的產(chǎn)品。只有實現(xiàn)產(chǎn)品的智能化，才能進一步實現(xiàn)過程的智能化和模式的智能化，例如根據(jù)產(chǎn)品質量狀態(tài)調整工藝參數(shù)或加工設備；根據(jù)產(chǎn)品性能反饋調整產(chǎn)品設計；遠程診斷產(chǎn)品；預測產(chǎn)品可能出現(xiàn)的問題等。因此，智能制造系統(tǒng)首先強調的是產(chǎn)品形態(tài)的變化，有了產(chǎn)品形態(tài)的變化，則可以進一步帶來過程和模式的變化。而產(chǎn)品形態(tài)的變化又需要企業(yè)對于研發(fā)模式甚至研發(fā)組織做出調整，以適應新型產(chǎn)品的研制特點，從而重構創(chuàng)新研發(fā)的整個過程。接下來，本文將重點闡述智能制造體系帶來的產(chǎn)品形態(tài)變化及其亟需建立的創(chuàng)新研發(fā)模式。

產(chǎn)品形態(tài)的變化

隨著越來越多的IT技術和傳感器被嵌入到產(chǎn)品中，智能互聯(lián)產(chǎn)品成為產(chǎn)品發(fā)展的趨勢和共識。2011年時，分析師曾預言，到2020年市場上將有500億臺智能互聯(lián)設備。這在當時聽起來簡直是天文數(shù)字。但到了2017年，隨著我們朝這個數(shù)字飛速邁進，再也沒有人覺得這是天方夜譚了。從汽車到冰箱，各類智能產(chǎn)品已經(jīng)開始收集各種各樣的數(shù)據(jù)，并利用這些數(shù)據(jù)改善產(chǎn)品的設計、制造、可維護性以及客戶滿意度。產(chǎn)品功能軟件化將改變產(chǎn)品競爭的策略和碎片化需求的響應能力，越來越多的產(chǎn)品功能將通過軟件、硬件和傳感器協(xié)同工作（圖1），使得產(chǎn)品的更新?lián)Q代和個性化需求的滿足更加容易。而且，傳感器的納米化或微型化也使得IT技術和傳感器嵌入產(chǎn)品中越來越容易和方便，這進一步促進了智能互聯(lián)產(chǎn)品的發(fā)展和演化。

圖1 智能互聯(lián)的產(chǎn)品形態(tài)

隨著智能互聯(lián)產(chǎn)品的出現(xiàn)，企業(yè)需要從根本上重新思考設計的內涵。設計師除了傳統(tǒng)的機械、電氣、軟件設計外，還需要考慮傳感器及其通信方式，有時還需要考慮產(chǎn)品的IT部署問題，如產(chǎn)品功能的云部署。而這一切都需要以系統(tǒng)工程的思想，在設計初期就考慮，甚至在傳統(tǒng)的CAD環(huán)境就需要考慮并進行設計。

產(chǎn)品形態(tài)的變化也影響了企業(yè)設計新產(chǎn)品的外延——企業(yè)現(xiàn)在必須考慮產(chǎn)品基本功能以外的方面，要考慮產(chǎn)品如何融入其他產(chǎn)品的生態(tài)體系并與之互動，各項產(chǎn)品之間彼此通信，并與其他業(yè)務體系通信。以家用產(chǎn)品為例。溫度調節(jié)器曾經(jīng)是單機設備，現(xiàn)在可通過網(wǎng)絡實現(xiàn)互聯(lián)，門、燈和安全系統(tǒng)均可遠程操控。這就大大增加了產(chǎn)品設計的復雜度，必須在產(chǎn)品中嵌入軟件、電子、通信機制、安全和協(xié)議。企業(yè)不再開發(fā)“產(chǎn)品”，而是開發(fā)“體系（system of systems）”中的一部分，其中各項產(chǎn)品都是一個迷你系統(tǒng)，這些迷你系統(tǒng)又可以構成更大規(guī)模的互聯(lián)生態(tài)體系。

除了產(chǎn)品設計本身，產(chǎn)品的智能互聯(lián)特性將給企業(yè)進一步改變業(yè)務流程或者商業(yè)模式帶來更多選項。例如，可以改變企業(yè)提供服務的方式，從被動式的響應轉變?yōu)橹鲃邮降念A測式服務，這將進一步影響企業(yè)的盈利模式，產(chǎn)品即服務的模式將成為企業(yè)的重要利潤來源。智能互聯(lián)產(chǎn)品的發(fā)展，使得產(chǎn)品制造商能及時、準確和直觀地了解產(chǎn)品特性，并進行產(chǎn)品的迭代式創(chuàng)新，從而改變了企業(yè)研發(fā)產(chǎn)品的方式。

產(chǎn)品創(chuàng)新模式的變化

產(chǎn)品形態(tài)的變化必然會帶來產(chǎn)品研制模式的變化。但智能制造體系對于產(chǎn)品研制模式提出了更高的要求，以應對智能制造體系本身的特點和發(fā)展趨勢。

個性化定制驅動的研發(fā)

智能制造提出的其中一個重要背景就是產(chǎn)品需求的個性化和碎片化需求越來越多。制造體系的智能化就體現(xiàn)在可控的時間、成本和質量前提下，更柔性地滿足個性化需求。在制造環(huán)節(jié)，工廠可以通過柔性產(chǎn)線的調整來滿足個性化、小批量產(chǎn)品的生產(chǎn)。但在研發(fā)環(huán)節(jié)，如何收集和整理個性化需求？如何根據(jù)個性化需求進行研發(fā)的工作開展呢？

在過去，客戶的個性化需求往往通過手工的方式進行記錄和傳遞，或者提供一個網(wǎng)站收集客戶的需求。這種方式不僅效率低，而且對于客戶描述需求的能力提出了非常高的要求，在傳遞過程中，由于不同人員理解的不同，還容易造成需求丟失或失真的問題。一種新的趨勢是：在智能制造體系中，利用增強現(xiàn)實技術（AR）的方式（圖2），通過交互式手段，幫助客戶完成個性化定制或者需求的呈現(xiàn)。AR的應用并不僅僅是一項簡單的技術使用，而是解決了智能制造體系最重要的輸入問題，并且使得智能制造體系從一開始就和之前的所有制造體系都有所不同。

AR應用為企業(yè)提供了與客戶交流的移動化入口。和手工收集或網(wǎng)站相比，AR技術很容易應用在移動終端上，如手機、Pad和便攜終端等，可以利用客戶自身的移動設備。

實現(xiàn)了用戶體驗的交互化。在AR應用里，客戶可以基于三維環(huán)境或虛擬化的環(huán)境完成個性化需求的選擇，并且可以與真實環(huán)境進行疊加，從而使得客戶可以深入理解和表達需求。

有控制的個性化。智能制造體系雖然可以柔性化，但也是有限度的，而這種限度必須在一開始就引導客戶的個性化定制過程，而不是天馬行空地進行。通過AR技術，所有的選項、顏色和周圍環(huán)境的配合關系等都可以進行有條件約束，從而使得個性化定制的過程也是有所約束的。

圖2個性化定制

研發(fā)過程中的開放式創(chuàng)新

當客戶的個性化需求被采集后，目前大多數(shù)企業(yè)的研發(fā)過程都變成了黑盒，只有在產(chǎn)品樣機或產(chǎn)品制造出來后，客戶才能進行評價和需求的比對。這一過程漫長而又充滿了風險，制造商需要花費大量時間和成本進行研制，又要擔心最終產(chǎn)品和客戶需求的匹配度，而客戶也需要等待很長時間才能獲得結果。在過程中，客戶的一些突發(fā)想法或創(chuàng)意很難介入到研發(fā)環(huán)節(jié)，制造商也非常頭痛于不斷提出的變更。因此，必須考慮采用新技術來實現(xiàn)制造商與客戶之間可以不斷互動的開放式創(chuàng)新模式。

在開放式創(chuàng)新模式中，AR/VR技術也將扮演重要的角色。一方面制造商和客戶在概念設計早期階段，就可以借助AR/VR技術在移動終端上進行產(chǎn)品概念的體驗（圖3），甚至是沉浸式產(chǎn)品體驗，另一方面客戶可以更直觀地參與評審并提出建議。

圖3 基于AR的遠程產(chǎn)品評審

在開放式創(chuàng)新的模式下，客戶很難像企業(yè)內部研發(fā)人員一樣坐在一起評審產(chǎn)品，因此還需要考慮多人的遠程評審模式。在這一方面，AR/VR技術都可以發(fā)揮很大的作用（圖4）。

圖4基于VR的多人遠程產(chǎn)品評審

基于性能的迭代式創(chuàng)新

在智能制造體系中，設計師需要綜合利用所有產(chǎn)品數(shù)據(jù)，設計出更持久，制造可行性更好，并且能夠更好地滿足最終客戶的需求。按照傳統(tǒng)的設計模式，在產(chǎn)品交付之前，設計師會利用CAE等仿真手段，通過模擬的假設條件，來分析產(chǎn)品可能存在的問題。在傳感器還無法服務于設計流程的年代，主觀假設盡管存在肯定的不準確和不完整，卻是開發(fā)周期中不可或缺的一環(huán)。原型測試有時也讓使用者提供反饋，報告產(chǎn)品設計在試驗臺上或實地測試中的表現(xiàn)如何，然后設計師要盡力解讀這些反饋意見，再通過有根據(jù)的猜想來提出合理的設計改進，接下來再重復整個過程。這里的問題在于，無論根據(jù)多么充分，猜想都可能是錯誤的。猜想錯誤，產(chǎn)品就可能就會設計過度或設計不足——前者會增加設計、制造所需的時間和成本，后者則可能導致產(chǎn)品在投入實際使用后暴露出缺陷或導致召回。而且，當設計人員完成設計后，大量的產(chǎn)品和設計師之間不再具有直接的聯(lián)系，設計人員無法獲得實際產(chǎn)品運行中的各項信息反饋，無法高效參考原有設計進行新產(chǎn)品的規(guī)劃和優(yōu)化，更無法感知用戶實際使用產(chǎn)品的性能和感受從而實現(xiàn)以提升用戶體驗為目的的迭代式創(chuàng)新。

而在智能制造體系中，產(chǎn)品設計師可以利用真實數(shù)據(jù)做出準確無誤、有據(jù)可依的設計決策——而無需借助主觀假設。基于性能的分析（Performance Based Analysis）讓這樣的設計實踐成為可能（圖5）。著名自行車制造商Santa Cruz發(fā)布了一款智能互聯(lián)山地車。這款車使用PTC Creo進行三維設計，然后制造商在這個普通的自行車上裝上了各種各樣的傳感器，于是它就成了一輛互聯(lián)自行車，制造商應用“數(shù)字化映射（Digital Twin）”技術，通過PTC工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺ThingWorx看到這輛自行車實時使用數(shù)據(jù)，如加速度、剎車力、減震效果等，從而幫助Santa Cruz的研發(fā)和營銷人員直觀、具體、遠程地了解產(chǎn)品是如何被使用，從而了解對客戶來說什么才是最有價值的。這些分析激活了數(shù)據(jù)的價值，將它轉換成了可操作的、實時的產(chǎn)品新視角和洞察。制造商能夠知道其產(chǎn)品的使用情況并在迭代中進行改進，還能在產(chǎn)品的整個生命周期中按需提供更多增值服務。

圖5基于性能的迭代式創(chuàng)新

數(shù)字化映射帶來了根本性的改變——從與客戶談論產(chǎn)品到從產(chǎn)品感知客戶，進而基于性能進行產(chǎn)品迭代。這種創(chuàng)新模式將大大提高產(chǎn)品更新?lián)Q代的效率、質量和準確性。

眾包和云研發(fā)模式

正如前面所說，企業(yè)不再開發(fā)“產(chǎn)品”，而是開發(fā)“產(chǎn)品體系（system of systems）”中的一部分，這將導致協(xié)同研發(fā)或眾包模式的大量出現(xiàn)。無論是協(xié)同研發(fā)還是眾包，都需要考慮以下幾個要素。

◎ 如何在安全可控的前提下基于云實現(xiàn)不同企業(yè)之間的協(xié)作。

◎ 如何實現(xiàn)應用及其數(shù)據(jù)使用的個性化，因為各個企業(yè)所有的系統(tǒng)、內部流程和規(guī)則都不盡相同。

◎ 如何考慮協(xié)同組織的動態(tài)多變，從而實現(xiàn)研發(fā)協(xié)作系統(tǒng)的快速組合和調整。

因此，相對于傳統(tǒng)研發(fā)模式，未來的云研發(fā)模式或眾包模式需要全新的協(xié)同研發(fā)體系進行支撐，如圖6所示。新的研發(fā)體系需要具備考慮跨越各種企業(yè)應用，支撐各種角色的使用需求，根據(jù)業(yè)務需要快速重構的能力。作為業(yè)界巨頭的博世（Bosch）年收入達700億歐元，有40萬名員工，150余年來一直致力于行業(yè)創(chuàng)新。他們是全球首屈一指的汽車供應商，在消費品、工業(yè)設備、安全系統(tǒng)和建筑能源系統(tǒng)領域占據(jù)較大市場份額。博世之前使用的PTC工業(yè)軟件用于管理全球工程流程，有數(shù)以千計的Windchill、Creo和Integrity用戶。未來搭建未來的研發(fā)體系，博世力士樂率先采用了PTC工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺ThingWorx為核心的Navigate應用，通過Navigate將ERP、PIM及PLM等不同的數(shù)據(jù)源連接起來，通過輕量的應用程序和系統(tǒng)為非工程師用戶帶來增值，如制造員工、服務人員及業(yè)務合作伙伴。正如博世力樂士IT工程部門總監(jiān)Olaf Kramer所說：“ThingWorx Navigate實現(xiàn)將產(chǎn)品信息呈現(xiàn)給每個人，而不僅是專門人員。Navigate作為我們新一批信息應用程序的一員，使員工可以在與日常工作密切相關的情境下輕松訪問所需信息。”

圖6支撐研發(fā)云和眾包，跨系統(tǒng)的個性化應用

德國StreetScooter公司成立于2010年，主要開發(fā)研制綠色環(huán)保的、可個性化定制的、成本低廉且可以實現(xiàn)智能互聯(lián)的電動車。StreeScooter徹底顛覆了整車廠商主導的模式，讓汽車的設計和制造過程在供應商的支撐下完全扁平化。不同的參與者（包括汽車不同部分、不同零部件的供應商）在同一個虛擬平臺上協(xié)同工作。每個參與者的創(chuàng)造性都被極大地激發(fā)，只要符合事先確立的設計綱要，任何參與者都可以“說了算”。這一模式創(chuàng)造了12個月設計和制造一部汽車的奇跡。該虛擬協(xié)作平臺基于PTC公司的Windchill和ThingWorx進行構建，以支持不同眾創(chuàng)參與者的高效協(xié)同。

“智能制造體系本身的內涵和外延還在不斷演化和發(fā)展，但通過智能制造體系改變產(chǎn)品創(chuàng)新模式，提升產(chǎn)品競爭力，從而進一步改善企業(yè)經(jīng)營過程以及帶來新的商業(yè)模式的初衷是不變的。”正如PTC中國區(qū)總裁劉強先生所說：“企業(yè)在構建智能制造體系的過程中，必須時刻關注和思考產(chǎn)品本身形態(tài)的變化，以及未來將要采用的創(chuàng)新研發(fā)模式。只有這樣，才能應對未來競爭環(huán)境對于個性化定制、迭代式創(chuàng)新、開放式創(chuàng)新、眾包和云研發(fā)的需求，這是智能制造體系更為重要的部分，而不僅僅是關注在制造本身。而ThingWorx能夠為企業(yè)帶來的，是一個用來創(chuàng)建和運行互聯(lián)世界中的應用程序的平臺，讓企業(yè)能夠通過不斷為客戶提供定制化、可交互、虛實結合的產(chǎn)品與服務獲得成功。通過ThingWorx平臺，企業(yè)可以充分體會到物聯(lián)網(wǎng)時代為產(chǎn)品創(chuàng)新研發(fā)帶來的無限機遇。”