“工业再设计”应成为“中国制造2025”的内核动

一、“工业再设计”是迈进产品正向设计与精密制造一体化的系统方法论

    超越源于创新，创新源于正向设计和系统理念。企业的发展历程中，逆向设计是必须经历的一个阶段，即消化引进吸收，跟踪仿制出相关产品，获取市场空间。然而仅靠跟踪仿制，注定陷入“引进-落后-再引进”的死循环。当外来的技术供给和市场格局发生变化时，企业将不堪一击。只有寻求超越的企业才可以成为业内的常青树，而依赖“系统思维”的“正向设计”将是解决之道。系统思维强调根据概念、性质、关系和结构，把对象有机组织起来，研究系统的功能和行为，着重从整体上去揭示系统内部各元素之间以及系统与环境的多种多样的关系。图1描述了产品的需求、功能、结构和行为之间的关系。结构是功能的载体，行为是结构的效应，功能是行为的抽象，这是功能-结构-行为之间的客观关系。

图1 产品的需求、功能、结构和行为之间的关系

　　我们认为“工业再设计”是指面向产品需求，通过结构的解释和行为仿真实现产品的功能质变的过程，是走向正向设计与精密制造一体化的科学方法论。“工业再设计”本质核心是工业仿真应用的升华、正向设计技术的工程化，是先进设计技术与精密制造工艺的结合。在提高工业品性能、升级产品的同时，使其走向集成化、轻量化、智能化。

    “工业再设计”的整体流程共分为追根溯源、创新优化和物理试验三个重要环节。（1）追根溯源，获取设计指标和边界条件。再设计的初级阶段是基于对结构的当前认知，通过试验或仿真手段获取边界条件和指标数据，进行产品再设计。成熟以后，可以追溯产品原始需求，利用正向设计过程获取边界条件和指标数据，进行深层级再设计。（2）创新优化，借助设计创新、参数优化、拓扑优化和虚拟试验技术等手段开展创新设计和验证。在设计的过程中，工程师完全可以打破工艺的束缚，依靠无论产品结构怎样复杂皆可制造出来的理念，释放出巨大的设计潜能，他们可以只专注于需求，可以设计任何结构的产品，而不需要考虑制造工艺的局限。工艺束缚的消失带来产品设计与生产之间藩篱的倾覆，设计与制造一体化工业产品设计体系将建立，传统的产品设计模式将被根本性地颠覆，产品设计将可以真正实现仿真驱动。（3）利用精密制造和物理试验技术，对创新性设计方案进行确认和迭代。在精密制造技术的支撑下，可实现快速迭代，尽快实现再设计定型，以及推出最终的创新性产品。工业再设计的整体流程如下图所示：

图2 工业再设计的整体流程（图片来源：安世亚太）

二、中国制造突出问题的症结在于缺乏产品正向设计、绿色设计和工艺创新的系统思维

　　目前，工业发达国家仍在快速延伸、升华新工业革命。德美日英国等已在布局新一轮科技革命和产业革命，意在抢占和延伸其新工业革命的前沿阵地和保持其领先地位。我国制造业存在着产品质量问题和同质化问题突出、核心技术薄弱和创新能力不强、高能耗高污染高成本问题严重三大突出问题，究其深层次原因是缺乏系统思维的产品正向设计、绿色设计和创新工艺等核心动力。

　　（一）照抄模式致使学术界到工业界没有形成正向设计的系统思维

　　设计确定了工业品的基因，工艺和制造塑造了工业品的体格。长达数十年的基于“测绘仿制的逆向设计”和“引进消化”的照抄模式，造成了我国从学术界到工业界几乎从未或者说极少形成基于系统思维和功能观点的产品正向设计和创新设计方法学的理论和实践，从而造成设计与工艺、设计与制造之间的各自为政、脱节严重，互相对立关系，忽视了复杂产品和装备研制乃至整个制造业的水平提升是一个系统工程，不仅仅是所谓的材料或工艺等局部的问题，而是一个体系的系统化支撑。例如：航空发动机等复杂产品和装备研制全过程（包括技术研发和产品研制）中因协同互动关系认识不到位，前期研究探索不足，研制方面所存在的比较严重的系统性问题导致了我国军民用飞机及大型舰船等都存在着“心脏病”的折磨。

　　（二）发展方式粗放导致我国尚未形成绿色设计体系及理念

　　当前，我国制造业大而不强，发展方式粗放，能源资源利用效率偏低、环境污染严重。从单位工业增加值能耗看，我国单位工业增加值能耗是美国的3.5倍、日本的5.3倍、英国的7.7倍、德国的8倍。由于经济发展水平、对外开放水平不高等因素制约，一些地区对绿色设计的价值和重要性认识仍处于模糊状态。绿色设计是绿色制造的前提，国内对工业产品绿色设计的研究很多还主要停留在学术讨论阶段，缺少实际、全面、可操作的系统性研究，并且远未形成系统成型的问题解决思路。实质上，绿色设计能力是基于产品自主设计能力的，而中国工业自主设计能力不足，特别是创新型正向设计能力不足，跟踪研仿的模式很难建立绿色设计意识和能力，导致绿色设计能力基因性缺乏。

　　（三）生产工艺的限制很大程度阻碍了产品设计进程和创新步伐

　　长期以来，工业产品的设计是基于已有工艺来定型的。由于工艺的限制，在加工和安装方面有不可突破的障碍，更难以释放工程师设计潜能，影响产品创新步伐。当前的产品必须由大量的零部件装配、焊接或铆接而成。这种组合形态对产品的性能、可靠性、重量、体积、载重、材料、动力、成本、能耗、环保等方面都具有负面影响。如：铸造工艺属于“长流程”工艺，整个工艺过程中有近30个环节，而每个环节中还包含设计、装备、工装、材料、工艺等因素组合，累计下来的控制点可达到150个以上，过多的控制因素非常容易产生累计的质量误差，因而易于产生缺陷、质量不稳定、工序复杂等问题，传统工艺难以在需要高度精密、高机械性能的产品制造过程中作为主要工艺流程进行采用。

三、“工业再设计”可助力实现“中国制造2025”的三个转变

　　（一）要素驱动向创新驱动的转变

　　“工业再设计”实现从产品需求源头开始，经过需求开发、功能分析、系统设计、物理设计、工艺试制、试验验证等产品设计完整过程，“工业再设计”通过“基于知识工程的创新性正向设计技术”实现设计方案创新，进行突破性、架构性、超越性和颠覆式的创新产品设计，可以真正形成我国工业企业的自主研发能力，增强企业的竞争力和生存力，将逐步促进以创新驱动的企业成长模式。通过“基于仿真和优化设计的数字技术”实现设计细节创新，通过“精密成型技术”实现制造过程的创新，是一个完整的创新驱动研制过程，能够很好的实现要素驱动向创新驱动的转变。

　　（二）资源消耗大、污染排放物多的粗放制造向绿色制造的转变

　　研究表明，80%的资源消耗和环境影响取决于产品设计阶段。因此，绿色设计是促进工业绿色转型发展的最关键环节和最重要举措。工业再设计将彻底摒弃“傻大黑粗”式依赖资源消耗、依赖低成本竞争、依赖高能耗高排放的制造方式。通过精益设计改良产品基因，通过精密制造改良产品可靠性，从而提高制造业的质量效益；精密制造通过节省原材料、基本零排放实现环境友好的绿色制造。实现由低成本竞争优势向质量效益竞争优势的转变，实现由资源消耗大、污染排放物多的粗放制造向绿色制造的转变。

　　（三）由生产型制造向服务型制造的转变

　　工业再设计将解决工业产品在研发和制造过程中的核心问题。目前，国内已有相关企业开展实践，并取得了极大成效。如：安世亚太主导的工业再设计合作伙伴体系可以成为各类工业产品研制企业在研发和零部件/整机生产方面的外包商，企业可以更加集中精力于产品前期的市场开拓与后期的客户服务工作中，实现分散化研发资源、制造资源的整合和各自核心竞争力的高度协同，可以成功实现由生产型制造向服务型制造的转变。

四、“工业再设计”在“中国制造2025”战略任务落实中将大有可为

　　《中国制造2025》中明确提出：提高国家制造创新能力、推进信息化与工业化深度融合、强化工业基础能力，加强质量品牌建设、全面推行绿色制造、大力推动重点领域突破发展、深入推进制造业结构调整、积极发展服务型制造和生产性服务业、提高制造业国际化发展水平这九项战略任务和重点。工业再设计对这些战略任务将提供有力的支撑和保障。我们认为工业再设计体系当前至少可以在高档数控机床和机器人、航空航天装备、海洋工程装备及高技术船舶、先进轨道交通装备、节能与新能源汽车、电力装备、农业机械装备七个领域发挥重要作用，见表1所示。

表1 工业再设计的应用领域

　　目前，安世亚太科技股份有限公司（简称安世亚太）和苏氏精密制造技术（北京）股份有限公司（简称苏氏公司）正在利用自身的技术优势，并抓住这种优势所带来的机遇和契机，合作打造“中国工业再设计”体系，并且已经取得一定成果。安世亚太和苏氏公司进行战略合作打通工业产品的再设计与精密制造环节，在航空航天装备和交通装备等领域的工业再设计呈现不少亮点实践，已开展数十家企业的再设计应用推广，并取得了良好的经济效益和社会效益，具有较强的示范引领作用和应用推广价值。如：某汽车生产企业，采用安世亚太精益研发体系技术对一款越野卡车的前桥进行了再设计，在原结构基础上，将内部加筋处理，采用苏氏精密铸造技术整体成型，实现了将原来由78个钢制零件焊接而成的前桥壳整体铸造成一个铝制零件，在不降低性能指标的前提下，减重达到63%，直接减少材料成本250元。如果再设计技术普及开来，以中国每年生产2400万辆汽车计，物耗成本减少可以达到每年60亿元。由于材料要求降低、减少能耗、减少排放、节能环保等，该应用的绿色效益是节材效益的5倍之多。另外，再设计可以引发产品的突破性效能。航天某武器系统，通过再设计将壳体重量降低超过50%之后，在动力系统明显落后的情况下，实现了该武器系统在航程、航速、精确性方面对仿制对象的全面超越。可见，工业再设计将在工业强基和绿色制造等“中国2025”战略任务中发挥巨大作用。

五、对我国加快发展“工业再设计”的进一步思考

　　（一）难点

　　“工业再设计”的推广过程中可能面临观念、标准和人才等制约因素。在观念方面，由于“工业再设计”让研发设计回归市场客户需求本源，重新审视原有的设计，以最自然的方式来探索设计的本质，效法自然。“工业再设计”的顺利实现往往是由于突破性新技术和新工艺的出现和成熟，再设计其实就是把握这些已有的新技术和工艺，促使其快速向成果转化。面对创新，传统产业可能因为观念滞后不愿冲破原有的企业结构和思想观念，接收颠覆性创新特别是在产品生命周期的成熟期，整个企业不愿意放弃业已形成的优势，将处于惰性状态，缺少创新所需的内部条件。在标准方面，由于采用工业再设计可以实现将一个部件取代若干个零部件，原有零散部件的生产标准面临失效，单个一体化的部件的非标问题在设计环节中是不容易被接收的。在人才方面，从事工业产品设计的人员对正向设计、精益研发、绿色制造等理念的认知接收程度和实践机会也大大影响工业再设计推广应用的步伐。

　　（二）建议

　　1、建议组建“中国工业再设计专家委员会”，构建面向“中国制造2025”重点战略任务的工业再设计体系和公共服务平台，围绕各个产业和细分领域的需求，开展工业再设计的标准建设、人才培训和行业交流等工作和服务。

　　2、从供给侧鼓励国内企业主动创新，从研究用户需求出发，到满足用户需求结束，打造工业再设计生态圈。从市场上不断获取改进意见和新的需求，开始新的正向设计研发、工业仿真、物理验证、工艺定型、批量专业生产和整机总成等循环，保证整个生态圈形成正反馈的良性循环，并可以快速优化迭代达到最优状态，最终提供最优的产品。

　　此外，鼓励“傻大黑粗”企业接受工业再设计方法优化产品设计和制造工艺，不断提升其经济效能和社会效能。对于机械制造行业积极采用工业再设计的企业应纳入智能制造、工业强基等相关项目试点，并提供相关政策扶持。

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