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(9)

图30 实体V和架构V构成的双V模型在系统层次上的递归应用[33]

图31 系统工程实体V模型可以在全系统、、全特性上进行实例化以及DFAM和其他特性的关联关系示意

第2节“正向设计”定义中提到了正向设计的三大目标：(1) 提升人工物理系统的设计制造一体化能力，(2) 提升企业自主创新能力，(3) 提升企业和社会可持续发展能力。这三大目标呈递进关系，最终服务于图10所示的设计的最终目的——人、自然和社会这一复杂巨系统的可持续发展和进化。所以，支撑“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”的正向设计流程体系要反映和满足正向设计三大目标按层次分解产生的业务场景和指标体系。例如，图32是满足可持续发展的顶层目标的循环经济模型，这样的模型将为正向设计流程的应用场景——生态设计和绿色制造最顶层的通用特性指标——可持续设计及其在2.1.3节最后提到的若干场景提供需求输入。

图32 由设计驱动并形成良性循环的工业系统——循环经济模型示例[34]

面向增材制造的设计的总体流程如图33所示。这一流程涵盖了产品的需求分析、架构设计、详细设计等过程。在实际应用时，需要将这一指导性流程与双V模型的系统工程过程框架进行结合。图34给出了基于德国标准机械产品系统化设计VDI 2221的面向增材制造的设计流程，可以认为这是图33按VDI 2221在研发阶段上的具体化。一般认为，VDI 2221是VDI 2206（机电产品设计方法学）的子集，而VDI 2206采纳架构V模型作为机电产品开发的流程框架（图35）。设计方法学德语学派和美国系统工程界近半个世纪来在各自领域的工作和成就殊途同归，使得基于模型的系统工程新范式成为复杂产品研制和全生命期管理的流程框架和信息化平台的核心。

支撑上述面向增材制造设计顶层流程的是若干化子流程，如适用于工业再设计的零件合并和功能集成流程（图36），基于微观宏观结构建模和多目标优化的工艺、材料、零件/产品并行设计，基于MBSE的系统建模、拓扑优化及仿真和创成设计一体化流程（图37），面向增材制造的创成设计流程（图38）等。创成设计是用计算机算法和CAD软件生成概念方案，进而为拓扑优化提供输入；它是增材思维、进而是正向设计/工业再设计的使能技术。目前的创成设计应用热点，除了与拓扑优化的结合，还包括前端与MBSE的结合。

图33 面向增材制造的设计方法的总流程[35]

图34 基于VDI 2221的增材制造设计流程[36]

图35 基于架构V模型的德国标准VDI 2206机电产品设计流程[37]

图36 零件合并和功能集成流程[38]

图37 基于MBSE的系统建模、拓扑优化及仿真和创成设计一体化流程示例[39]

图38 面向增材制造的创成设计流程[40]

3.2.3 认知维上的能力建设

最后是认知维上的能力建设，DIKW的认知流反映了人和组织智力层次结构价值递增的顺序，记录了主观世界认识和改造客观世界的认知过程和结果，这是关注组织自身成长的人的维度。这个维度既包括人工物理系统全生命期过程中产生的DIKW的管理和转化跃迁，也包括个体和组织现有DIKW在人工物理系统全生命期中的应用。个体和组织对人工物理系统的认识不断深化、积累形成数据→信息→知识→智慧的认知流就是其自身的能力建设（图39）。图24中技术管理过程域下的信息管理过程，以及组织项目使能过程域下的知识管理过程、人力资源管理过程和质量管理过程，共四个过程在认知维上。

图39 DIKW认知流[41]

在认知维上，DIKW框架、方法和工具可以按组织架构应用于不同层级，也可应用于系统维和逻辑维上涉及图24中系统工程技术管理过程域和组织项目使能过程域的各个过程，还可按照DIKW四个层次，应用于工程海量数据、工业大数据、互联网大数据等不同种类的数据整合、分析、挖掘、展示场景，应用于产品模型数据的管理、融合和协同，应用于知识管理、知识工程、各种/知识库建设，乃至应用于集团企业的商业智能和战略决策等。未来利用增材制造、云计算、物联网等技术实现的分布式制造、泛在制造、社会制造等近乎零边际成本的生产模式将在DIKW框架下形成面向赛博物理社会空间的智慧经济。图40给出了DIKW框架在生产制造领域的应用示例。

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