1.引言
產品是一個企業賴以生存的核心，企業為了能夠在殘酷的市場競爭中存活，需要不斷地研發新產品或持續迭代已有的產品。
進入21世紀后，隨著互聯網和計算機技術的發展，市場上除了如鞋襪、汽車、機械裝備等實體產品，以網絡服務、音樂或軟件為代表的虛擬產品，在當前市場中的占比迅速增加。相較于傳統的實體產品，虛擬產品的研發和迭代具有響應速度快、資產輕和門檻低的顯著優勢，同時還能為企業帶來可觀的利潤。
相較于虛擬產品的這些優勢，傳統實體產品，特別是機械類產品的研發和迭代則普遍存在投入成本高，市場響應慢和研發周期長等劣勢。同時隨著市場和工業化的進一步成熟，傳統企業的實體產品研發迭代中的劣勢正在被進一步放大。首先，產品間的同質化競爭變得愈發激烈，利潤空間被不斷壓縮，越來越多的制造型企業深陷價格戰的困局中。
其次，隨著物質生活的愈發豐富，消費者的選擇和需求愈發多樣化，市場已進入VUCA( ，，，)時代，這使得企業對市場需求預測和響應變得更加困難。最后，市場留給企業進行產品研發和迭代的時間正在不斷縮短，產品迭代不及時所帶來的后果，將使企業市場份額大幅度下降。基于當前的市場背景，結合實際經驗，羅列并分析了傳統制造企業采用的傳統產品研發策略中所面臨的問題。
針對這些問題，基于 MBSE、PLM 系統，數字孿生和 3D 打印技術等先進的數字化方法論和工具，逐一描述了使用這些工具解決對應痛點的思路與方法。同時，本文還針對這些孤立工具所可能帶來的“信息孤島”問題，提出了一種組合型數字化解決方案的系統模型，并詳述了其具體的工作流程。在本文的最后，羅列了傳統制造型企業產品研發數字化轉型過程中會面臨的挑戰。
2.對傳統制造企業研發管理問題分析
2.1研發團隊應對市場需求響應慢
20世紀60~70年代，一輛汽車經過圖樣、物理樣車實測、定型，產品周期為6~7年。而如今，一輛普通汽車從設計到定型時間為3~4年，新產品的迭代時限也在變得越來越短。產品越快迭代入市，就意味著更大的市場份額，更快的研發投入回籠。更重要的是，能更早獲取寶貴的市場反饋并迅速用于下一代產品迭代中。當企業市場部洞察，捕獲和分析到市場需求變化時，這些信息本該及時傳遞到產品團隊，但是由于傳統產品管理組織結構的臃腫，這個過程往往異常緩慢。即便研發部門知悉這些需求，做出了響應，其結果也需要很長時間傳導回市場。在短產業鏈行業中這個問題還不顯著，但對于諸如汽車、民用航空工業等復雜的、供應鏈長的機械裝備產品，每一個環節所消耗的時間成本，都是在使用企業最寶貴的市場響應速度和份額作為代價。
2.2團隊內部溝通低效
一件產品從需求轉化為產品，第一步要求的是產品團隊對需求有正確的理解，傳統的產品需求都是基于文字描述的，其內容會由于解讀者理解上的偏差而出現“二義性”，錯誤的需求解讀，將會給產品的研發項目帶來巨大的隱患。研發團隊成員由于不同的專業背景和工作職責，對待這些文檔，很容易產生“二義性”。為消除“二義性”，不論是研發團隊，還是跨部門合作，需要投入大量的時間與精力去溝通、核實。這些額外的成本還會隨著產品復雜度的增加和產業鏈的延長而迅速水漲船高。而越來越多資源的投入，除了推高產品的研發成本外，實際上對于消除“二義性”，效果非常有限。
2.3產品版本管理失效風險高
產品需要不斷迭代，相對舊版本產品，新版本產品中的一個或多個子系統會發生變更。而各子系統可能是由不同設計團隊乃至是外部供應商來完成的，一個正確的產品版本迭代應該是其某個子系統變更后，與之相關的所有內容都應該變更并保持最新版本。但是由于機械類產品（汽車、飛行器和機械裝備等）的高復雜性，在多次產品迭代后，子系統的版本數量巨大，如若管理不當，將導致系統內部版本的匹配錯誤，這種錯誤將直接傳導到生產現場中，將給企業帶來致命的損失。傳統的版本管理（基于文檔）在復雜系統產品的管理中本就需要耗費巨大的人力物力，再加上越來越多且差異巨大的產品分類，輔以高頻率的變更需求。繼續使用傳統的管理方法，越來越多的資源投入無法有效降低產品版本的錯配比率。
2.4市場對企業正向研發能力要求提高
多年來，中國承接了世界各地的生產訂單，憑借自身價低質優的勞動力，成長為名副其實的“世界工廠”，目前，中國生產的各類產品，大部分依舊是中低價值的工業品，甚至很多產品是依照國外同型產品逆向工程得來的。這種方式在一定程度減少了企業的研發投入，但如今，隨著國家人口紅利的減少，知識侵權成本增加，還有與發達國家之間不斷增加的貿易摩擦，令那些一直依賴逆向工程獲取利潤的企業如坐針氈。市場強迫企業必須進行產品的正向研發與創新，從而獲取獨屬于自己的競爭優勢。但傳統的產品研發管理流程，普遍存在目標不明確、研發流程不清晰、投入多和見效慢等問題。
2.5產品設計同生產條件不匹配
任何產品都需要通過生產后才能交付客戶，因此產品在設計階段，除需要考慮產品的功能實現以外，還需要考慮到相關設計同當前生產條件的契合度，這在機械行業尤其重要。事實上，由于很多研發人員缺乏生產一線的裝配工作經驗，因此很多實驗室中優秀的設計，在正式投產時就會遇到麻煩，例如：工裝短缺，裝配復雜導致的生產成本激增，甚至可能由于設計缺陷所導致的生產設備損壞乃至是報廢。那么如何在產品正式投產前就能夠準確評測產品的設計合理性，成為了很多企業急需解決的問題。
2.6復雜工業產品產業鏈管理協同困難
在世界互為一體的大背景下，研發團隊可能是由不同國家團隊和供應商組成的。首先，這種跨區域合作，能為產品帶來新穎的設計思路，亦能降低某些子系統的研發成本。但是多元團隊所帶來的挑戰也很大，首先是巨大的溝通成本，這些成本主要由時區、語言和文化差異所導致。更麻煩的是，若產品組成來源復雜（如數控機床、汽車和民用航空器等裝備），不同相關方，如客戶、供應商等，他們通常都擁有不同的管理流程、不同標準的開發工具和數據管理平臺。如果無法整合上下游伙伴之間的數據池，那么這個鏈條當中所有相關方都將被迫繼續在這個復雜、低效且溝通成本高昂的產業鏈中互相協作。
2.7產品知識封裝，追溯和復用能力弱
優秀的工程師永遠是研發團隊最寶貴的財富，對于傳統制造業，特別像機械這類看重經驗的企業，很多研發項目皆是因為關鍵技術人員的離開而中止，即便有新專家接手，項目也會因為很多寶貴經驗或知識的遺失而繼續陷入困境。即便知識能夠遺留下來，在無數次產品迭代后也很容易被埋沒在浩如煙海的技術文檔中，若依靠傳統的知識管理模式，后期需要對產品數據進行分類或是設計版本溯源，都將陷入巨大的麻煩中。同時，由于始終無法有效整理和復用過去研發中獲取的寶貴知識，企業始終不得不持續通過高薪留住相關技術人才，這不僅大幅增加人力成本，還加劇產品對部分人員的過度依賴，最后，調高了企業的用人門檻。
2.8定制化產品研發成本高昂弱
自工業進入標準化時代，標準化設計和生產思維，不僅能幫助普通人獲得更多物美價廉的工業品，也幫助制造企業降低了產品研發，迭代和制造的成本。但隨著標準化工業的成熟，市場趨近飽和，越來越多的行業出現同質性競爭，并最終陷入價格戰的死循環，企業殺出重圍的新方法，就是定制化的產品戰略或向細分差異化領域下沉。這與傳統的產品設計理論相悖。因為客制化，意味著產品研發成本的上升，同時會令企業喪失一部分敏捷的市場適應能力。因此既能依靠定制化產品和服務從同行中脫穎而出，又能有效控制成本和保證響應能力，成為了很多企業希望達成的目標。
3.產品設計研發數字化轉型解決方案
使用四種前沿的數字化方法論和工具，逐條論述其解決相應問題的具體方法和過程。這些工具與產品研發問題的對應關系見下表。
產品研發問題與解決方案對比表
3.1基于模型的系統工程方法論
傳統的產品管理（ ，TSE），產品需求、系統的設計文檔和圖樣等都是基于文檔管理。而基于模型的系統工程（ Based ，MBSE）是通過把研究對象的一些特性抽象出來，并使用標準化的表達方式進行描述，從而進一步進行研究的形象化管理方法。該設計方法論最早被廣泛應用在航空航天領域，而現在，越來越多的實體領域也開始使用這種先進的產品設計思路，它相對于傳統的產品管理方法，有如下優勢：
第一，基于 MBSE 方法論的產品管理，嚴格基于需求（R）-功能（F）-邏輯（L）-物理結構（P）的架構來構建產品模型，MBSE 中會首先將原始需求進行分類，分成諸如商業、功能、性能和物料需求等，模型中接下來的環節，都將嚴格按照某一項需求逐級展開，如圖1所示，不同于傳統的產品設計團隊獨立于市場團隊，基于 MBSE 方法論的產品設計，將市場團隊視為產品研發流程中最前端也最重要的伙伴，每當需求變化，相關信息能夠迅速傳遞到后續環節中的所有團隊，幫助團隊成員及時感知變更，并響應變更。在前文中列出的響應慢的問題，就可以獲得解決。
第二，在前文中羅列了“二義性”的問題。MBSE 不同于 TSE，所有的需求和技術文檔都是通過文字描述的，所有產品系統架構的設計環節，不論是需求、功能、邏輯還是物理架構團隊都強制使用標準的建模語言進行設計和溝通，能從根本上解決這個問題。
第三，針對前文中討論的產品版本管理所面臨的挑戰，基于 MBSE 的產品研發，當參與研發的任何一方在某個分系統中發生變更，首先，該變更首先應該由 MBSE 中設置的系統邊界條件進行判定，不符合邊界條件的變更將會被自動否決。即便通過判定，基于產品設計流程框架，如圖1所示會依據產品模型內部定義的各系統和模塊間的相關關系，向所有相關團隊發送變更通知（理想系統中，相關聯部件參數也能夠自動變更以匹配然后生成最新版本）；更重要的是，所有相關團隊，都在統一系統平臺內參與設計，確保團隊每一次使用的產品系統模型都是最新版本，大幅降低版本誤用的風險。
圖 1 基于 MBSE 方法論的產品設計流程框架
第四，MBSE 這種基于需求逐級關聯的產品設計方法，是一種由外向內，由粗到細，從無到有的正向產品設計思路。在這個過程中，需求是產品設計的方向，功能定義是產品的架構，邏輯是連接各個系統的“神經”，最后從物理實現角度出發，設置真實的物理約束條件（如質量、大小、密度和能量等）。設計過程中，每一個環節任務明確，相互之間邏輯嚴密，設計過程中的每個環節既不容易遺漏，還都可以添加創新的元素。這能夠幫助企業有效解決文中指出的問題，讓企業的研發目標更加明確，研發流程更加清晰，正向研發效率也更高。目前市場中支持 MBSE 方法論的系統設計工具，有 和 平臺。
3.2產品生命周期管理系統
產品生命周期管理系統 ( Life-cycle ，PLM) 是傳統產品信息管理系統 ( ，PDM)在功能上的延伸。其與企業資源管理系統 (有限元軟件abaqus二次開發，ERP)一樣是企業數字化轉型中的重要支柱，區別在于，PLM 管理的對象是所有與產品相關的數據，其管理涵蓋產品的整個生命周期，其中不僅包括圖樣、BOM 和生產工藝等，還囊括了需求管理、產品供應鏈管理、產品售后維護和項目管理等，其具體功能結構如圖2所示。
圖 2 PLM系統功能架構圖
其主要能夠為企業帶來如下的改善：
首先，PLM 系統理論上可以將整個產業鏈的所有相關方整合為統一單元，這個單元既包含企業內部的產品團隊，也包含客戶和各級供應商。從客戶視角來看（如 OEM 廠商），可以在這個平臺上追蹤產品項目的進展狀況或各子系統的就位情況。針對機械行業企業，部分 PLM 產品，除提供 2D 或 3D 圖樣的聯合繪制功能外，還集成了很多的CAD 和仿真軟件（如 CATIA、和有限元分析軟件 等），這使得合作方式從簡單的協同制圖，逐漸過渡到協同仿真與協同調試。其能夠顯著提高產品上下游團隊之間的溝通和合作效率，幫助企業有效克服所闡述的產業鏈管理協同困難的問題。
同時，針對前文中提到的問題，PLM 系統允許用戶依據產品特性、功能等，對產品的相關數據進行分類和封裝，這些數據包含需求、項目文檔、圖樣和工藝參數等關鍵信息，并可以對這些模塊進行標記。當團隊獲得一個新產品需求，研發團隊可按照自定義的檢索邏輯，依據需求，將已標記過的成熟模塊“拼裝”成對應的新產品，從而有效復用先前產品的知識。相較于傳統的產品知識管理模式，對過往經驗的使用，將不再依賴于少數核心技術人員，通過對新舊知識的有效封裝，檢索邏輯的準確定義，再結合企業標準的知識復用流程，一名普通的團隊成員也可以依靠系統勝任之前核心研發人員才能夠負擔的工作。既能夠降低項目夭折風險，又可以逐漸降低人力需求門檻。目前在市場當中較為成熟的 PLM 產品有 UGS 和 3DE 平臺。
3.3數字孿生
數字孿生是一種集成多物理、多尺度、多學科屬性，具有實時同步、忠實映射、高保真度特性，能夠實現物理世界與信息世界交互與融合的技術手段[17]。其與傳統仿真技術剛好相反，是實物向虛擬世界的映射。理論上，實現了數字孿生的實體裝備，其在虛擬空間中映射的模型，其靜態與動態特性，都應該與物理實體完全一致。
首先，在制造業領域，所有的產品在設計過程中都需要考慮生產匹配度的問題。結合數字孿生技術，通過對生產現場某些關鍵生產設備或產線進行數字孿生，可以幫助研發團隊在計算機內部擁有一個“真實”的測試平臺，用于評估產品設計的合理性，最大程度避免由于前期設計缺陷所導致的生產問題，尤其是避免設備的損壞甚至是報廢。
最后，針對前文中提到的問題，研發團隊亦可對某些關鍵零部件或子系統的物理樣機進行數字孿生，這些模型繼承了物理設備的真實特性，因此可以被其他相關設計團隊直接應用到自己的仿真系統中，甚至是同真實的物理系統進行線上、線下聯合調試，如圖3所示，幫助企業進一步壓縮系統整合所需要的時間，大幅提升團隊的研發速度。
圖3 基于數字孿生的在線聯合調試
3.43D打印
增材制造技術俗稱 3D 打印技術，是近30年快速發展的先進制造技術，其優勢在于三維結構的快速和自由制造。文章已指出了制造業企業所面臨的同質化競爭和市場高定制化需求帶來的雙重挑戰，3D 打印技術無疑是解決此類問題的利器，其可以在兩個方面有效提高定制化產品的研發效率并降低研發成本。首先，依靠 3D 打印，研發部門可快速獲得復雜結構的測試零件，這些樣件能夠幫助團隊進行快速的定制化設計驗證和試錯，降低時間成本。同時，通過 3D 打印獲得的零部件，相比較于傳統采購獲得的零件，成本下降明顯（包括物料成本、溝通成本、加工成本和運輸成本等）。被節約出來的資金又可被用于更多的研發試錯中。
4.組合型數字化解決方案
在上一部分介紹這幾種前沿數字化工具的優勢和使用方法，但遺憾的是，企業若只單獨使用，則往往只能在某些點帶來提高，且每一個新數字化工具的引入，就意味一個新“信息孤島”的產生。若各信息孤島之間無法實現有效的數據傳輸或是共享，那么越多工具的引入，就會對實際業務的正常開展造成更多的負面影響。因此在數字化轉型中，這些工具的部署和使用，都應該是基于對整體研發業務需求和對現有系統互相兼容的原則下逐步實施的，以避免陷入“局部最優解”的窘境當中去。本文所提及的方法論和工具，將他們組合起來作為一個整體，各系統產生的數據流，在各組成機構中傳輸和共享，每個工具的作用都將被最大化的利用。該組合型解決方案的模型架構如圖4所示。
圖 4 組合型數字化解決方案架構圖
這里以某零部件需求變更為示例來描述這個模型的工作流程。
客戶需求文檔通過 ERP 系統傳遞到企業的 PLM 系統中，由于該 PLM 系統中所有產品模型是基于 MBSE 方法論建立的，所以文字需求會被拆解，并最終提煉出客戶的需求，此示例中為零件的減重需求。通過檢索，企業在模型庫中檢索這個零件完整的 CAD 模型，基于以往封裝好的減重設計經驗參數包，PLM 系統能夠將過往的減重經驗直接復用在當前零件當中，并把這些方案的結果直接呈現在 3D 模型中。基于這些建議的模型，工程人員可以直接使用與 PLM 系統集成的仿真軟件對這些方案進行類似受力分析等的逐一驗證，通過仿真結果擇優選擇方案，若自動生成的方案有瑕疵，則只人工介入進行微調即可，同時，最終確定的模型，也可以在通過數字孿生所搭建的生產線中進行模擬生產，以評估方案的制造可行性。通過仿真和驗證后的零件將觸發 PLM 系統內的變更管理，基于 MBSE 中設計的產品系統架構，所有與之相關的團隊都將收到變更通知。相關團隊會使用新零件模型在自己負責的系統中進行仿真驗證，無誤后，在系統中確認。當所有仿真確認無誤后，變更進入實機測試階段，研發團隊可將新零件的 CAD 設計圖發送到 3D 打印團隊，3D 圖樣在這里將被轉換為打印圖樣。只需要很少的時間，打印出的零件原型就被寄往測試中心，參與實機測試。當實機測試通過后，新版本零件的設計圖、工藝參數和PLC 程序等關鍵信息，將通過 PLM 系統直接上傳到本企業或者是關聯上下游企業的 MES 中，自動替換舊版本生產資料。必要時，MES 也可以直接使用 3D 打印機從事生產活動。該零件設計參數也將被總結、分類和封裝后保存在 PLM 系統當中用于未來的復用。同時 PLM 系統日志中記錄的流程信息又可被商務智能軟件用于項目成本、狀態、效率等商業領域的的數據監控和分析當中去。5.產品設計研發數字化轉型面臨的挑戰
數字化轉型能夠為傳統制造企業的產品研發與迭代注入更多的能量，但是在轉型過程中，仍面臨很多挑戰。
第一，是數據安全，傳統的業務管理主要基于物理的文檔和媒介，不法分子想要獲取大量的信息并非易事，但在數字化轉型后，大量甚至是全部企業數據都被存儲在虛擬空間并同產業鏈的上下游連接，這在加速信息分享的同時，也增大了企業數據遺失造成的損失，因此，在數字化轉型過程中，數據安全應當被作為最高優先級，并始終貫穿于整個數字化轉型過程中。
第二，一個行業中的上下游企業，擁有不同的管理流程，使用不同供應商的數字管理工具，鑒于各大供應商都采用孤立數字生態圈的競爭策略，系統互不兼容，這為破除信息孤島設置了更多的人為障礙。
第三有限元軟件abaqus二次開發，數字化人才隊伍的培養，在數字化轉型過程中，企業面臨老員工不懂 IT 技術，外聘 IT 人員又不懂公司業務的窘境。如何維持老員工再學習和 IT 人才引進之間的平衡，也是企業在進行數字化轉型過程當中需要認真思考的問題。
第四，數字化轉型是一項系統化、復雜化、高風險和高投入的活動。大型企業擁有足夠的資源進行變革，進而在某些領域進一步加強優勢。而對于很多身處同行業的中小企業而言，如何低耗高效地完成數字化轉型，也是頗具價值的議題。
6.結束語
列舉了在當前越來越復雜、多變、且多樣化的市場背景下傳統制造企業產品設計與迭代過程中面臨的八個問題，得出了使用 MBSE 方法論能夠有效解決產品研發團隊響應速度慢、溝通效率低、版本管理失效風險高和正向研發能力弱等四個結論，得出了使用數字孿生、PLM 系統和3D 打印技術能夠幫助企業有效解決產品研發生產不匹配，產業鏈協同困難、知識復用率低和定制化開發成本高等結論。
最后，指出了獨立數字化工具的使用，會造成“信息孤島”的問題，并提出了組合式解決方案的框架和模型，通過一個具體的用例詳細描述了該數字化組合解決方案的工作流程。傳統制造企業產品研發數字化轉型過程將會面臨的數據安全，信息孤島和資源瓶頸這四大挑戰。
原文刊載于《智能制造》2021年第6期 作者：博世（中國）投資有限公司蘇州分公司集團信息中心 蔡偉平&昆明理工大學信息工程與自動化學院 龍華