计算机能思维吗,为什么 方案解读：当正向设计“遇见”增材制造(7)

2017年11月初，工信部印发《高端智能再制造行动计划（2018-2020年）》，要求深入落实《中国制造2025》，加快实施绿色制造，推动工业绿色发展，聚焦盾构机、航空发动机与燃气轮机、医疗影像设备、重型机床及油气田装备等关键件再制造，以及增材制造、特种材料、智能加工、无损检测等绿色基础共性技术在再制造领域的应用。作为“以尺寸恢复和性能提升”为主要技术特征的机电产品资源化循环利用的中国特色再制造产业，可以认为是工业再设计的子集或业务场景之一，即不用计算机辅助创新和仿真优化等设计技术，而只用增材制造等先进制造工艺实现对现有产品的尺寸恢复和性能提升。

增材制造等先进制造技术除了助力工业再制造，还可以应用于以下场景，以满足基于生态设计和绿色制造的可持续发展循环经济的大目标：(1) 通过改进产品维修性设计（Design for MRO）延长产品使用寿命；(2) 面向客户装配和材料回收的可拆卸设计（Design for Disassembly）；(3) 增材制造定制条件下，在产品设计早期就检核材料使用和报废处理的面向回收再利用的设计（Design for Recycling）；(4) 面向新型复合材料和生物材料增材制造的材料回收和再利用；(5) 增材制造产业链内的清洁能源开发和利用；等等。增材制造技术对于人类可持续发展和循环经济，机遇和挑战并存，但机遇远大于挑战，所面临的挑战要站在生态链、产业链和产品全生命周期等全局和系统的高度加以解决。

2.2 外延

“正向设计”和“工业再设计”的适用对象从最初的复杂系统和产品拓展到现在的人工物理系统（即一定包含硬件的人工系统）（图16），适用范围从最初的产品设计拓展到现在的产品设计加环境设计（图10）。这样，与人类生产生活密切相关的医疗卫生、文化创意、智能建筑、智慧城市等行业和领域被纳入到“正向设计”和“工业再设计”的业务范围。经过这样的外延拓展后，“正向设计”和“工业再设计”面向的业务领域和场景已拓展到人类工业化进程的核心——设计制造活动所指向的所有物质生产。

图16 系统分类与人工物理系统[22]

关于正向设计和工业再设计之间的关系。从所覆盖的业务范围角度看，工业再设计是正向设计的一个子集（图17、图18），即在适应基于MBSE新研发范式的精益研发三维系统工程模型框架[18, 23]中，正向设计活动充满了整个三维空间，可以应用于各种系统层次和系统的各个生命期阶段的改进设计、原创设计和技术研发三大类业务场景；而工业再设计主要针对于成熟期的产品和系统的改进设计和重新设计。从工业化发展阶段看，工业再设计适合作为中国现阶段聚焦产品质量和产品创新的制造业转型升级的切入点和突破口以及工业化补课式的解决方案；正向设计在发达国家是常识，在中国则需要从学术界到工业界重建正向设计的理论和实践，而正向设计能力建设是一个长期、动态、系统的学习、实践和能力成熟度提升过程。

图17 精益研发三维系统工程模型框架下的正向设计三维空间[18]

图18 精益研发三维系统工程模型框架中的工业再设计子空间

3体系架构（How-1）

3.1 技术架构和逻辑架构

整体解决方案的技术架构（图19）参照了钱学森在系统观点指导下1980年代初提出的“三个层次一座桥梁”的现代科学学科体系一般框架（图20），包括：基础学科层——系统工程、数学、物理学、材料学等，信息化使能环境——面向数字主线和数字孪生的数据协同、基于大数据和物联网的云制造，技术学科层——TRIZ及技术创新和管理、拓扑优化、工程仿真、知识工程，工程技术层——基于系统工程面向增材制造的产品材料工艺一体化设计方法学、及其流程体系组合配置而成的正向设计咨询体系、先进制造工艺融合优选咨询体系、先进材料制备研备服务体系，工程实践层——面向工业品的解决方案体系（如飞机、航空发动机、汽车、模具等）、面向产业链的解决方案体系（如创业者、消费者、医疗、高等教育和职业培训等公共事业、文创、建筑等）、面向工业化和信息化的产品体系（工艺和材料设备、软件工具和平台等）。

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