清華大學吳澄院士
1、我國制造業信息化
早在70年代，我國制造業就開始引入信息技術，到80年代開始了863計劃，專門設立了CIMS主題，在全國范圍開展制造業信息化的研究、開發和應用，每年有1-2千人全時投入。并且從黨的十五大起，“信息化” 在每次大會報告中都有明確的表示，這對我國經濟、社會發展都起到了重要的導向作用。具體表現為：
●“十五大”（1997）：改造和提高傳統產業，發展新興產業和高技術產業，推進國民經濟信息化。
●“十六大”（2002）：以信息化帶動工業化，以工業化促進信息化。信息化是我國加快實現工業化和現代化的必然選擇。堅持以信息化帶動工業化，以工業化促進信息化，走出一條科技含量高、經濟效益好、資源消耗低、環境污染少、人力資源優勢得到充分發揮的新型工業化路子。
●“十七大”（2007）：堅持走中國特色新型工業化道路，推進信息化與工業化融合。
●“十八大”（2012）：堅持走中國特色新型工業化、信息化、城鎮化、農業現代化道路，推動信息化與工業化深度融合，工業化和城鎮化良性互動，城鎮化和農業現代化相互協調，促進工業化、信息化、城鎮化、農業現代化同步發展。
談到信息化，通俗地講可理解為，信息化是培育發展信息產業、將信息技術應用于經濟、社會、生活等各個方面的歷史進程。
既然是一個進程，便有階段。公認的是信息化經歷了：數字化、網絡化、智能化，當然它還在發展中。
數字化：計算機的廣泛應用，把各種信息都用數字表示。數字地球、地圖可以將地球（地圖）高分辨率的表示。
網絡化：通過網絡實現信息的互聯互通以至互操作。
智能化：對信息的進一步的智能處理（智能計算）以獲得更好的結果（資源更節省、效果更好……。）智慧和智能，簡單化的說，智慧更有人文的色彩，如指聰慧。而智能更多的是技術含義。智能指采用人工智能的理論、方法和技術，獲得具有擬人智能的特性或功能。
“需求牽引、技術驅動”是產品開發成功的兩個要點。下文主要是介紹數字技術、網絡技術、智能技術在產品創新研發中的應用。
2、數字化技術驅動產品創新的標志性成果及其相關技術
提到數字化，不能不講波音777，波音777是數據字技術驅動產品創新的標志性成果，數字化需求是90年代初，也是我們第一次訪問波音的時候歸納總結的。在1995年，在了解了波音777的整個設計制造過程后，我們從信息化角度，首先是數字化定義（Digital definition），做到了無紙化，此處的無紙化并非節約了紙張，而是打通了整個信息流；然后是數字化預裝配（Digital pre-assembly），即虛擬裝配，原來需要做結構樣機，現在直接在計算機上完成裝配，而且一次成功，大大縮短了樣機制做的時間；接下來是基于STEP的異構軟件之間的數據交換，以及基于廣域專用網的異地設計、制造（工作包方式24小時以內處理），管理上采用Teamwork，整個Teamwork有238個團隊。因此，取得的效果也很明顯：B757、B767從設計到商業運行用了9-10年，而B777僅用了4.5年。同時，“空客”在技術上也受到美國技術的影響，包括A380，雖然其相比B777信息化水平沒有新的突破。同時，上述技術在很大程度上影響了我國，在航天、航空、汽車、機車車輛等應用，效益明顯。借助于B777的經驗，我們在網上通過并行工程、虛擬制造（DFX)等技術，包括可裝配性的研究、可制造性的研究、CAE仿真分析等等，縮短產品開發時間40％。當前，這些技術（CAD/CAE、DFX、并行工程等）至今仍在發展，是重大應用離不開的技術。
圖1 數字化技術
3、網絡化技術驅動產品創新——互聯、互通和互操作
●支持網絡化產品開發的平臺應該是聯邦集成，所謂聯邦集成是指：
●支持跨地域、行業的多種應用服務
●實現用戶跨平臺點播，自動導航，無同時登陸人數限制；無登陸人員地點限制；
●實現平臺之間互惠互利的互聯、互通和互操作的資源共享；
●原有聯邦成員既能獨立運行，又能集成運行，任何聯邦成員的加入和退出都不影響其它聯邦成員的運行。
●平臺具有跨操作系統的能力：可以安裝在Windows 2000/2003，Windows XP，Unix，Linux系統下，而且對于客戶端也沒有任何限制。
滿足上述需求要有一個基礎架構并解決一系列關鍵技術。基礎架構包括：
●借鑒HLA聯邦集成與GLOBUS的思想，提出了“聯邦集成框架” （FIA—Federation Integration Architecture）
●FIA不是一個系統的實現，而是一種平臺集成的框架體系標準，不僅要實現平臺的互聯、互通，更重要的是要實現網絡化制造平臺之間的互操作
●FIA主要由3部分組成：規則（rules)；對象模型模板（OMT）；聯邦執行支撐環境（FEI Federation Executive Infrastructure）接口規范說明（interface specification）
●聯邦執行支撐環境（FEI）作為 FIA 接口規范所規定服務的軟件實現其功能類似于某種特殊目的的分布式操作系統，為聯邦成員提供執行時所需的服務。
主要功能有6種，聯邦管理、資源管理、搜索管理、計費管理、調度管理和安全管理。FEI接口規范主要是通過各個聯邦成員節點來連接，如下圖：
圖2 FEI接口規范
涉及到的關鍵技術有：
●采用自適應的png格式圖像壓縮與解壓縮，局部更新png格式，并進行三次樣條插值的圖像壓縮與傳輸，交互式協同設計只需要1M帶寬以下，達到實時同步；
●基于數據過濾機制的動態資源信息按需傳輸技術
采用聲明管理和數據分發管理的思想，基于“匹配”機制
●分布式共享資源的服務調度技術
基于分類學對共享資源進行分類，將復雜的調度轉換為根據調度策略中描述的約束，對搜索結果的進行分類
達到“盡可能的提供符合約束條件的調度結果”并“兼顧服務的響應時間”兩者之間的平衡
●基于配置文件和廣播搜索模式的跨平臺聯邦搜索技術
●網絡化制造聯邦集成平臺的安全授信技術
保證本平臺的數據不被越權的泄露、修改、利用、限制和破壞——采取口令字控制
防止本平臺的用戶資料被其他的平臺獲得——采取用統一身份標識代替用戶訪問
●分布共享資源動態監測和數據同步技術
采用“復制”同步技術來實現，確保分布在不同地點的數據自動同步更新，從而保證數據的一致性
●基于WTO模式的互激勵集成計費管理技術
參照WTO（世界貿易組織）模式，建立聯邦成員共同遵守的運營協議，以及聯邦成員之間互利互惠的特定服務協議
下圖是本平臺與Pc anywhere、VNC、Terminal Service、NetMeeting的比較。
圖3 網絡化產品開發的平臺與其他平臺的比較
目前，基于網絡化技術已得以應用，開發出了新一代醫用心血管造影介入治療系統以及高速公路清掃車，并且該技術在科技園區、孵化基地的數百家企業應用
4、產品創新設計中的多學科協同設計、仿真和優化MDO
產品創新設計中的協同化包括多學科協同設計、仿真和優化，所謂多學科仿真包括：協同優化平臺功能、Nelder-Mead算法、混合進化算法DE-NMR。
協同優化平臺功能：優化模型建立與分析、確定仿真優化環境、仿真優化和優化結果后處理。
Nelder-Mead算法：直接搜索算法（Direct Search Method）的一種。直接搜索算法在非線性優化中具有重要的位置，被廣泛應用于工程設計、化學、管理等領域。
混合進化算法DE-NMR：結合了DE算法的全局收斂性以及Nelder-Mead算法改進算法的局部搜索速度，能在較短的時間內搜索到最優解。
網絡化側重于互聯、互通、互操作，協同化強調優化技術，包括協同設計平臺、協同仿真平臺、協同優化平臺。具體應用如高速軌道車輛，通過改變車廂懸掛系統一系、二系的彈簧剛度、阻尼器阻尼值等變量的值，進行多種工況下的仿真，得出不同工況下的舒適性指標、曲線通過性能、安全性指標（包括脫軌系數、減載率、輪軌橫向力、輪軸橫向力、傾覆系數）等。
5、智能設計、制造與智能工廠
智能設計的應用比較廣泛，但系統的應用還沒有。目前，我們在做一個課題，研究了關于智能設計與制造的背景以及智能設計、智能制造、智能管理。信息技術驅動，產品高端化的需求拉動，資源節約型、環境友好型社會的需求拉動，大批量定制——低成本、快速滿足用戶的個性化需求，化解勞動力成本上升的困境等是智能設計與制造產生的背景。智能設計包括數字化、知識化、模塊化、協同化，智能制造包括透明化、集成化、極限化、綠色化，智能管理包括可視化、人性化、集成化。
從下圖，可以泛在感知智能制造與智能工廠所涵蓋的內容及所歷經的階段。
圖4 智能制造與智能工廠
下文將列舉一個工業創新的實例，德國德累斯頓不僅是響譽歐洲的文化名城，而且100多年來，薩克森的汽車設計和制造技術都在國際上占有領先地位。如今，在薩克森有四個知名的德國汽車制造商設有生產基地：大眾汽車、保時捷、寶馬和尼奧普蘭，另外還有500多家配件供應商在薩克森開設了工廠，員工超過70000人。目前，汽車制造業大約占薩克森州工業銷售產值的20%，占出口產值達32%，成為薩克森州加工業的支柱產業。
為什么德累斯頓既能成為文化名城又是工業中心了？因為他們有“玻璃工廠”，大眾汽車公司將一個完整的環境方案納入整體規劃，包括燈光照明布置、氣候和通風系統、保護敏感的動植物以及保持城市生活質量等多個方面。所以，在大樓建造的時候就注重結構深度盡量淺，以確保足夠的滲水面積，保持地下水的平衡。面積50000平方米的室外區域，設計為綠化面積和水面。大樓四周，使用擴音器播放多種鳥類鳴叫的聲音，使鳥兒遠離玻璃幕墻，室外區域內安裝了特制的鈉氣燈，黃色系的燈光不會驚擾鄰近植物園內的昆蟲。德累斯頓市中心用玻璃建造一家高度現代化的汽車生產廠，將技術與文化、現代化的生產和體驗緊密聯系了起來。建筑設計師君特•赫恩教授（Prof.Dr. Gunter Henn）認為：工廠的玻璃幕墻吸取了德累斯頓的歷史和建筑的成就，使相鄰的居住區域和花園美景自然地結合在一起。如今，透明工廠已經成為所在城市、市民生活和文化活動的重要組成部分。成功地使“工業回歸市中心”。
“玻璃工廠”帶動智能交通與物流技術發展，也帶動智能電網與能源技術發展及智能城市文化發展。如果說B777是數字化技術驅動產品創新的標志性成果，那么玻璃工廠是又一個關于創新設計、制造的標志性進展。如果說B777是人類征服自然的一次重要創新，那么玻璃工廠則是人與自然和諧共處的偉大創舉。
圖5 玻璃工廠
6、結束語
通過波音777和玻璃工廠兩個工業創新的例子給我們的啟發是：不僅人類征服自然要創新，人類與環境和諧共處也需要創新。創新不可缺少。
工業化仍然是我國經濟發展的主旋律，制造業是工業化的核心內容，信息化是關系到工業化轉型升級、提升GDP質量、提高人民生活水平影響全局的關鍵因素。我國未來對制造業信息化的需求將是持續的、迫切的。
產品創新設計開發的4個方面：數字化、網絡化、協同化和智能化對于企業的發展具有重要作用，但如何應用取決于問題的類型、需求。
國產工業軟件，仍然處于弱勢（特別是高端工業軟件）。雖然短期內不易突破，但希望有所進步。
本文根據清華大學吳澄院士在“2012中國制造業產品創新數字化國際峰會”上的發言錄音整理，未經本人確認！
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本文標題：清華大學吳澄院士《信息技術驅動產品創新》
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