探究傳統(tǒng)制造企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)數(shù)字化轉(zhuǎn)型之路

蔡偉平，龍 華

（1. 博世（中國）投資有限公司蘇州分公司 集團(tuán)信息中心（CI），江蘇 蘇州 215000；2. 昆明理工大學(xué) 信息工程與自動化學(xué)院，云南 昆明 650031）

1 引言

產(chǎn)品是一個企業(yè)賴以生存的核心，企業(yè)為了能夠在殘酷的市場競爭中存活，需要不斷地研發(fā)新產(chǎn)品或持續(xù)迭代已有的產(chǎn)品。

進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著互聯(lián)網(wǎng)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，市場上除了如鞋襪、汽車、機(jī)械裝備等實體產(chǎn)品，以網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、音樂或軟件為代表的虛擬產(chǎn)品，在當(dāng)前市場中的占比迅速增加。相較于傳統(tǒng)的實體產(chǎn)品，虛擬產(chǎn)品的研發(fā)和迭代具有響應(yīng)速度快、資產(chǎn)輕和門檻低的顯著優(yōu)勢，同時還能為企業(yè)帶來客觀的利潤。

相較于虛擬產(chǎn)品的這些優(yōu)勢，傳統(tǒng)實體產(chǎn)品，特別是機(jī)械類產(chǎn)品的研發(fā)和迭代則普遍存在投入成本高，市場響應(yīng)慢和研發(fā)周期長等劣勢。同時隨著市場和工業(yè)化的進(jìn)一步成熟，傳統(tǒng)企業(yè)的實體產(chǎn)品研發(fā)迭代中的劣勢正在被進(jìn)一步放大。首先，產(chǎn)品間的同質(zhì)化競爭變得愈發(fā)激烈，利潤空間被不斷壓縮，越來越多的制造型企業(yè)深陷價格戰(zhàn)的困局中。其次，隨著物質(zhì)生活的愈發(fā)豐富，消費者的選擇和需求愈發(fā)多樣化，市場已進(jìn)入VUCA( Volatility，Uncertainty，Complexity，Ambiguity)時代，這使得企業(yè)對市場需求預(yù)測和響應(yīng)變得更加困難。最后，市場留給企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)和迭代的時間正在不斷縮短，產(chǎn)品迭代不及時所帶來的后果，將使企業(yè)市場份額大幅度下降。

基于當(dāng)前的市場背景，結(jié)合實際經(jīng)驗，羅列并分析了傳統(tǒng)制造企業(yè)采用的傳統(tǒng)產(chǎn)品研發(fā)策略中所面臨的問題。針對這些問題，基于 MBSE、PLM 系統(tǒng)，數(shù)字孿生和 3D打印技術(shù)等先進(jìn)的數(shù)字化方法論和工具，逐一描述了使用這些工具解決對應(yīng)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(shù)字化解決方案的系統(tǒng)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(tǒng)制造型企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程中會面臨的挑戰(zhàn)。

2 對傳統(tǒng)制造企業(yè)研發(fā)管理問題分析

2.1 研發(fā)團(tuán)隊?wèi)?yīng)對市場需求響應(yīng)慢

20世紀(jì)60～70年代，一輛汽車經(jīng)過圖樣、物理樣車實測、定型，產(chǎn)品周期為6～7年。而如今，一輛普通汽車從設(shè)計到定型時間為3～4年，新產(chǎn)品的迭代時限也在變得越來越短。產(chǎn)品越快迭代入市，就意味著更大的市場份額，更快的研發(fā)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(chǎn)品迭代中。當(dāng)企業(yè)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(chǎn)品團(tuán)隊，但是由于傳統(tǒng)產(chǎn)品管理組織結(jié)構(gòu)的臃腫，這個過程往往異常緩慢。即便研發(fā)部門知悉這些需求，做出了響應(yīng)，其結(jié)果也需要很長時間傳導(dǎo)回市場。在短產(chǎn)業(yè)鏈行業(yè)中這個問題還不顯著，但對于諸如汽車、民用航空工業(yè)等復(fù)雜的、供應(yīng)鏈長的機(jī)械裝備產(chǎn)品，每一個環(huán)節(jié)所消耗的時間成本，都是在使用企業(yè)最寶貴的市場響應(yīng)速度和份額作為代價。

2.2 團(tuán)隊內(nèi)部溝通低效

一件產(chǎn)品從需求轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，第一步要求的是產(chǎn)品團(tuán)隊對需求有正確的理解，傳統(tǒng)的產(chǎn)品需求都是基于文字描述的，其內(nèi)容會由于解讀者理解上的偏差而出現(xiàn)“二義性”，錯誤的需求解讀，將會給產(chǎn)品的研發(fā)項目帶來巨大的隱患。研發(fā)團(tuán)隊成員由于不同的專業(yè)背景和工作職責(zé)，對待這些文檔，很容易產(chǎn)生“二義性”。為消除“二義性”，不論是研發(fā)團(tuán)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(chǎn)品復(fù)雜度的增加和產(chǎn)業(yè)鏈的延長而迅速水漲船高。而越來越多資源的投入，除了堆高產(chǎn)品的研發(fā)成本外，實際上對于消除“二義性”，效果非常有限。

2.3 產(chǎn)品版本管理失效風(fēng)險高

產(chǎn)品需要不斷迭代，相對舊版本產(chǎn)品，新版本產(chǎn)品中的一個或多個子系統(tǒng)會發(fā)生變更。而各子系統(tǒng)可能是由不同設(shè)計團(tuán)隊乃至是外部供應(yīng)商來完成的，一個正確的產(chǎn)品版本迭代應(yīng)該是其某個子系統(tǒng)變更后，與之相關(guān)的所有內(nèi)容都應(yīng)該變更并保持最新版本。但是由于機(jī)械類產(chǎn)品（汽車、飛行器和機(jī)械裝備等）的高復(fù)雜性，在多次產(chǎn)品迭代后，子系統(tǒng)的版本數(shù)量巨大，如若管理不當(dāng)，將導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部版本的匹配錯誤，這種錯誤將直接傳導(dǎo)到生產(chǎn)現(xiàn)場中，將給企業(yè)帶來致命的損失。傳統(tǒng)的版本管理（基于文檔）在復(fù)雜系統(tǒng)產(chǎn)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(chǎn)品分類，輔以高頻率的變更需求。繼續(xù)使用傳統(tǒng)的管理方法，越來越多的資源投入無法有效降低產(chǎn)品版本的錯配比率。

2.4 市場對企業(yè)正向研發(fā)能力要求提高

多年來，中國承接了世界各地的生產(chǎn)訂單，憑借自身價低質(zhì)優(yōu)的勞動力，成長為名副其實的“世界工廠”，目前，中國生產(chǎn)的各類產(chǎn)品，大部分依舊是中低價值的工業(yè)品，甚至很多產(chǎn)品是依照國外同型產(chǎn)品逆向工程得來的。這種方式在一定程度減少了企業(yè)的研發(fā)投入，但如今，隨著國家人口紅利的減少，知識侵權(quán)成本增加，還有與發(fā)達(dá)國家之間不斷增加的貿(mào)易摩擦，令那些一直依賴逆向工程獲取利潤的企業(yè)如坐針氈。市場強(qiáng)迫企業(yè)必須進(jìn)行產(chǎn)品的正向研發(fā)與創(chuàng)新，從而獲取獨屬于自己的競爭優(yōu)勢。但傳統(tǒng)的產(chǎn)品研發(fā)管理流程，普遍存在目標(biāo)不明確、研發(fā)流程不清晰、投入多和見效慢等問題。

2.5 產(chǎn)品設(shè)計同生產(chǎn)條件不匹配

任何產(chǎn)品都需要通過生產(chǎn)后才能交付客戶，因此產(chǎn)品在設(shè)計階段，除需要考慮產(chǎn)品的功能實現(xiàn)以外，還需要考慮到相關(guān)設(shè)計同當(dāng)前生產(chǎn)條件的契合度，這在機(jī)械行業(yè)尤其重要。事實上，由于很多研發(fā)人員缺乏生產(chǎn)一線的裝配工作經(jīng)驗，因此很多實驗室中優(yōu)秀的設(shè)計，在正式投產(chǎn)時就會遇到麻煩，例如：工裝短缺，裝配復(fù)雜導(dǎo)致的生產(chǎn)成本激增，甚至可能由于設(shè)計缺陷所導(dǎo)致的生產(chǎn)設(shè)備損壞乃至是報廢。那么如何在產(chǎn)品正式投產(chǎn)前就能夠準(zhǔn)確評測產(chǎn)品的設(shè)計合理性，成為了很多企業(yè)急需解決的問題。

2.6 復(fù)雜工業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈管理協(xié)同困難

在世界互為一體的大背景下，研發(fā)團(tuán)隊可能是由不同國家團(tuán)隊和供應(yīng)商組成的。首先，這種跨區(qū)域合作，能為產(chǎn)品帶來新穎的設(shè)計思路，亦能降低某些子系統(tǒng)的研發(fā)成本。但是多元團(tuán)隊所帶來的挑戰(zhàn)也很大，首先是巨大的溝通成本，這些成本主要由時區(qū)、語言和文化差異所導(dǎo)致。更麻煩的是，若產(chǎn)品組成來源復(fù)雜（如數(shù)控機(jī)床、汽車和民用航空器等裝備），不同相關(guān)方，如客戶、供應(yīng)商等，他們通常都擁有不同的管理流程、不同標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)工具和數(shù)據(jù)管理平臺。如果無法整合上下游伙伴之間的數(shù)據(jù)池，那么這個鏈條當(dāng)中所有相關(guān)方都將被迫繼續(xù)在這個復(fù)雜、低效且溝通成本高昂的產(chǎn)業(yè)鏈中互相協(xié)作。

2.7 產(chǎn)品知識封裝，追溯和復(fù)用能力弱

優(yōu)秀的工程師永遠(yuǎn)是研發(fā)團(tuán)隊最寶貴的財富，對于傳統(tǒng)制造業(yè)，特別像機(jī)械這類看重經(jīng)驗的企業(yè)，很多研發(fā)項目皆是因為關(guān)鍵技術(shù)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(jīng)驗或知識的遺失而繼續(xù)陷入困境。即便知識能夠遺留下來，在無數(shù)次產(chǎn)品迭代后也很容易被埋沒在浩如煙海的技術(shù)文檔中，若依靠傳統(tǒng)的知識管理模式，后期需要對產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行分類或是設(shè)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(fù)用過去研發(fā)中獲取的寶貴知識，企業(yè)始終不得不持續(xù)通過高薪留住相關(guān)技術(shù)人才，這不僅大幅增加人力成本，還加劇產(chǎn)品對部分人員的過度依賴，最后，調(diào)高了企業(yè)的用人門檻。

數(shù)學(xué)源于生活，而學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)之主要目的又在于將數(shù)學(xué)知識靈活自如、合情合景地運用到現(xiàn)實生活之中去。德育亦然。德育之根本目的是要讓學(xué)生在治學(xué)、立身、處事、創(chuàng)業(yè)、工作的時候都能夠以德為本，讓學(xué)生學(xué)淵博、德馨香、業(yè)興旺。

2.8 定制化產(chǎn)品研發(fā)成本高昂

自工業(yè)進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)化時代，標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計和生產(chǎn)思維，不僅能幫助普通人獲得更多物美價廉的工業(yè)品，也幫助制造企業(yè)降低了產(chǎn)品研發(fā)，迭代和制造的成本。但隨著標(biāo)準(zhǔn)化工業(yè)的成熟，市場趨近飽和，越來越多的行業(yè)出現(xiàn)同質(zhì)性競爭，并最終陷入價格戰(zhàn)的死循環(huán)，企業(yè)殺出重圍的新方法，就是定制化的產(chǎn)品戰(zhàn)略或向細(xì)分差異化領(lǐng)域下沉。這與傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計理論相悖。因為客制化，意味著產(chǎn)品研發(fā)成本的上升，同時會令企業(yè)喪失一部分敏捷的市場適應(yīng)能力。因此既能依靠定制化產(chǎn)品和服務(wù)從同行中脫穎而出，又能有效控制成本和保證響應(yīng)能力，成為了很多企業(yè)希望達(dá)成的目標(biāo)。

3 產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)數(shù)字化轉(zhuǎn)型解決方案

使用四種前沿的數(shù)字化方法論和工具，逐條論述其解決相應(yīng)問題的具體方法和過程。這些工具與產(chǎn)品研發(fā)問題的對應(yīng)關(guān)系見下表。

表 產(chǎn)品研發(fā)問題與解決方案對比表

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3.1 基于模型的系統(tǒng)工程方法論（MBSE）

傳統(tǒng)的產(chǎn)品管理（Traditional System Engineering，TSE），產(chǎn)品需求、系統(tǒng)的設(shè)計文檔和圖樣等都是基于文檔管理。而基于模型的系統(tǒng)工程（Module Based System Engineering，MBSE）是通過把研究對象的一些特性抽象出來，并使用標(biāo)準(zhǔn)化的表達(dá)方式進(jìn)行描述，從而進(jìn)一步進(jìn)行研究的形象化管理方法。該設(shè)計方法論最早被廣泛應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域，而現(xiàn)在，越來越多的實體領(lǐng)域也開始使用這種先進(jìn)的產(chǎn)品設(shè)計思路，它相對于傳統(tǒng)的產(chǎn)品管理方法，有如下優(yōu)勢：

第一，基于 MBSE 方法論的產(chǎn)品管理，嚴(yán)格基于需求（R）-功能（F）-邏輯（L）-物理結(jié)構(gòu)（P）的架構(gòu)來構(gòu)建產(chǎn)品模型，MBSE 中會首先將原始需求進(jìn)行分類，分成諸如商業(yè)、功能、性能和物料需求等，模型中接下來的環(huán)節(jié)，都將嚴(yán)格按照某一項需求逐級展開，如圖1所示，不同于傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計團(tuán)隊獨立于市場團(tuán)隊，基于 MBSE 方法論的產(chǎn)品設(shè)計，將市場團(tuán)隊視為產(chǎn)品研發(fā)流程中最前端也最重要的伙伴，每當(dāng)需求變化，相關(guān)信息能夠迅速傳遞到后續(xù)環(huán)節(jié)中的所有團(tuán)隊，幫助團(tuán)隊成員及時感知變更，并響應(yīng)變更。在前文中列出的響應(yīng)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(shù)文檔都是通過文字描述的，所有產(chǎn)品系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計環(huán)節(jié)，不論是需求、功能、邏輯還是物理架構(gòu)團(tuán)隊都強(qiáng)制使用標(biāo)準(zhǔn)的建模語言進(jìn)行設(shè)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(chǎn)品版本管理所面臨的挑戰(zhàn)，基于 MBSE 的產(chǎn)品研發(fā)，當(dāng)參與研發(fā)的任何一方在某個分系統(tǒng)中發(fā)生變更，首先，該變更首先應(yīng)該由 MBSE 中設(shè)置的系統(tǒng)邊界條件進(jìn)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(chǎn)品設(shè)計流程框架，如圖1所示會依據(jù)產(chǎn)品模型內(nèi)部定義的各系統(tǒng)和模塊間的相關(guān)關(guān)系，向所有相關(guān)團(tuán)隊發(fā)送變更通知（理想系統(tǒng)中，相關(guān)聯(lián)部件參數(shù)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(guān)團(tuán)隊，都在統(tǒng)一系統(tǒng)平臺內(nèi)參與設(shè)計，確保團(tuán)隊每一次使用的產(chǎn)品系統(tǒng)模型都是最新版本，大幅降低版本誤用的風(fēng)險。

圖 1 基于 MBSE 方法論的產(chǎn)品設(shè)計流程框架

目前市場中支持 MBSE 方法論的系統(tǒng)設(shè)計工具，有Catiamagic 和 Capella 平臺。

3.2 產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)（PLM）

產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng) (Production Life-cycle Management，PLM) 是傳統(tǒng)產(chǎn)品信息管理系統(tǒng) (Product Data Management，PDM)在功能上的延伸。其與企業(yè)資源管理系統(tǒng) (Enterprise Resource Planning，ERP)一樣是企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型中的重要支柱，區(qū)別在于，PLM 管理的對象是所有與產(chǎn)品相關(guān)的數(shù)據(jù)，其管理涵蓋產(chǎn)品的整個生命周期，其中不僅包括圖樣、BOM 和生產(chǎn)工藝等，還囊括了需求管理、產(chǎn)品供應(yīng)鏈管理、產(chǎn)品售后維護(hù)和項目管理等，其具體功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

其主要能夠為企業(yè)帶來如下的改善：

首先，PLM 系統(tǒng)理論上可以將整個產(chǎn)業(yè)鏈的所有相關(guān)方整合為統(tǒng)一單元，這個單元既包含企業(yè)內(nèi)部的產(chǎn)品團(tuán)隊，也包含客戶和各級供應(yīng)商。從客戶視角來看（如 OEM廠商），可以在這個平臺上追蹤產(chǎn)品項目的進(jìn)展?fàn)顩r或各子系統(tǒng)的就位情況。針對機(jī)械行業(yè)企業(yè)，部分 PLM 產(chǎn)品，除提供 2D 或 3D 圖樣的聯(lián)合繪制功能外，還集成了很多的CAD 和仿真軟件（如 CATIA、SolidWorks和有限元分析軟件 Abaqus 等），這使得合作方式從簡單的協(xié)同制圖，逐漸過渡到協(xié)同仿真與協(xié)同調(diào)試。其能夠顯著提高產(chǎn)品上下游團(tuán)隊之間的溝通和合作效率，幫助企業(yè)有效克服所闡述的產(chǎn)業(yè)鏈管理協(xié)同困難的問題。

同時，針對前文中提到的問題，PLM 系統(tǒng)允許用戶依據(jù)產(chǎn)品特性、功能等，對產(chǎn)品的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類和封裝，這些數(shù)據(jù)包含需求、項目文檔、圖樣和工藝參數(shù)等關(guān)鍵信息，并可以對這些模塊進(jìn)行標(biāo)記。當(dāng)團(tuán)隊獲得一個新產(chǎn)品需求，研發(fā)團(tuán)隊可按照自定義的檢索邏輯，依據(jù)需求，將已標(biāo)記過的成熟模塊“拼裝”成對應(yīng)的新產(chǎn)品，從而有效復(fù)用先前產(chǎn)品的知識。相較于傳統(tǒng)的產(chǎn)品知識管理模式，對過往經(jīng)驗的使用，將不再依賴于少數(shù)核心技術(shù)人員，通過對新舊知識的有效封裝，檢索邏輯的準(zhǔn)確定義，再結(jié)合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的知識復(fù)用流程，一名普通的團(tuán)隊成員也可以依靠系統(tǒng)勝任之前核心研發(fā)人員才能夠負(fù)擔(dān)的工作。既能夠降低項目夭折風(fēng)險，又可以逐漸降低人力需求門檻。

圖 2 PLM 系統(tǒng)功能架構(gòu)圖

目前在市場當(dāng)中較為成熟的 PLM 產(chǎn)品有 UGS Teamcenter 和 3DE 平臺。

3.3 數(shù)字孿生

數(shù)字孿生是一種集成多物理、多尺度、多學(xué)科屬性，具有實時同步、忠實映射、高保真度特性，能夠?qū)崿F(xiàn)物理世界與信息世界交互與融合的技術(shù)手段。其與傳統(tǒng)仿真技術(shù)剛好相反，是實物向虛擬世界的映射。理論上，實現(xiàn)了數(shù)字孿生的實體裝備，其在虛擬空間中映射的模型，其靜態(tài)與動態(tài)特性，都應(yīng)該與物理實體完全一致。

首先，在制造業(yè)領(lǐng)域，所有的產(chǎn)品在設(shè)計過程中都需要考慮生產(chǎn)匹配度的問題。結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)，通過對生產(chǎn)現(xiàn)場某些關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備或產(chǎn)線進(jìn)行數(shù)字孿生，可以幫助研發(fā)團(tuán)隊在計算機(jī)內(nèi)部擁有一個“真實”的測試平臺，用于評估產(chǎn)品設(shè)計的合理性，最大程度避免由于前期設(shè)計缺陷所導(dǎo)致的生產(chǎn)問題，尤其是避免設(shè)備的損壞甚至是報廢。

最后，針對前文中提到的問題，研發(fā)團(tuán)隊亦可對某些關(guān)鍵零部件或子系統(tǒng)的物理樣機(jī)進(jìn)行數(shù)字孿生，這些模型繼承了物理設(shè)備的真實特性，因此可以被其他相關(guān)設(shè)計團(tuán)隊直接應(yīng)用到自己的仿真系統(tǒng)中，甚至是同真實的物理系統(tǒng)進(jìn)行線上、線下聯(lián)合調(diào)試，如圖3所示，幫助企業(yè)進(jìn)一步壓縮系統(tǒng)整合所需要的時間，大幅提升團(tuán)隊的研發(fā)速度。

圖 3 基于數(shù)字孿生的在線聯(lián)合調(diào)試

3.4 3D 打印

增材制造技術(shù)俗稱 3D 打印技術(shù)，是近30年快速發(fā)展的先進(jìn)制造技術(shù)，其優(yōu)勢在于三維結(jié)構(gòu)的快速和自由制造。文章已指出了制造業(yè)企業(yè)所面臨的同質(zhì)化競爭和市場高定制化需求帶來的雙重挑戰(zhàn)，3D 打印技術(shù)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(chǎn)品的研發(fā)效率并降低研發(fā)成本。首先，依靠 3D 打印，研發(fā)部門可快速獲得復(fù)雜結(jié)構(gòu)的測試零件，這些樣件能夠幫助團(tuán)隊進(jìn)行快速的定制化設(shè)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(tǒng)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(jié)約出來的資金又可被用于更多的研發(fā)試錯中。

4 組合型數(shù)字化解決方案

在上一部分介紹這幾種前沿數(shù)字化工具的優(yōu)勢和使用方法，但遺憾的是，企業(yè)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(shù)字化工具的引入，就意味一個新“信息孤島”的產(chǎn)生。若各信息孤島之間無法實現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)傳輸或是共享，那么越多工具的引入，就會對實際業(yè)務(wù)的正常開展造成更多的負(fù)面影響。因此在數(shù)字化轉(zhuǎn)型中，這些工具的部署和使用，都應(yīng)該是基于對整體研發(fā)業(yè)務(wù)需求和對現(xiàn)有系統(tǒng)互相兼容的原則下逐步實施的，以避免陷入“局部最優(yōu)解”的窘境當(dāng)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(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流，在各組成機(jī)構(gòu)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(gòu)如圖4所示。

圖 4 組合型數(shù)字化解決方案架構(gòu)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。①客戶需求文檔通過 ERP 系統(tǒng)傳遞到企業(yè)的 PLM系統(tǒng)中，由于該 PLM 系統(tǒng)中所有產(chǎn)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。②通過檢索，企業(yè)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(shè)計經(jīng)驗參數(shù)包，PLM 系統(tǒng)能夠?qū)⑦^往的減重經(jīng)驗直接復(fù)用在當(dāng)前零件當(dāng)中，并把這些方案的結(jié)果直接呈現(xiàn)在 3D 模型中。③基于這些建議的模型，工程人員可以直接使用與 PLM 系統(tǒng)集成的仿真軟件對這些方案進(jìn)行類似受力分析等的逐一驗證，通過仿真結(jié)果擇優(yōu)選擇方案，若自動生成的方案有瑕疵，則只人工介入進(jìn)行微調(diào)即可，同時，最終確定的模型，也可以在通過數(shù)字孿生所搭建的生產(chǎn)線中進(jìn)行模擬生產(chǎn)，以評估方案的制造可行性。④通過仿真和驗證后的零件將觸發(fā) PLM 系統(tǒng)內(nèi)的變更管理，基于 MBSE 中設(shè)計的產(chǎn)品系統(tǒng)架構(gòu)，所有與之相關(guān)的團(tuán)隊都將收到變更通知。相關(guān)團(tuán)隊會使用新零件模型在自己負(fù)責(zé)的系統(tǒng)中進(jìn)行仿真驗證，無誤后，在系統(tǒng)中確認(rèn)。⑤當(dāng)所有仿真確認(rèn)無誤后，變更進(jìn)入實機(jī)測試階段，研發(fā)團(tuán)隊可將新零件的 CAD 設(shè)計圖發(fā)送到 3D 打印團(tuán)隊，3D圖樣在這里將被轉(zhuǎn)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(jī)測試。⑥當(dāng)實機(jī)測試通過后，新版本零件的設(shè)計圖、工藝參數(shù)和PLC程序等關(guān)鍵信息，將通過 PLM 系統(tǒng)直接上傳到本企業(yè)或者是關(guān)聯(lián)上下游企業(yè)的 MES 中，自動替換舊版本生產(chǎn)資料。必要時，MES 也可以直接使用 3D 打印機(jī)從事生產(chǎn)活動。⑦該零件設(shè)計參數(shù)也將被總結(jié)、分類和封裝后保存在 PLM系統(tǒng)當(dāng)中用于未來的復(fù)用。同時 PLM 系統(tǒng)日志中記錄的流程信息又可被商務(wù)智能軟件用于項目成本、狀態(tài)、效率等商業(yè)領(lǐng)域的的數(shù)據(jù)監(jiān)控和分析當(dāng)中去。

5 產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)數(shù)字化轉(zhuǎn)型面臨的挑戰(zhàn)

數(shù)字化轉(zhuǎn)型能夠為傳統(tǒng)制造企業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)與迭代注入更多的能量，但是在轉(zhuǎn)型過程中，仍面臨很多挑戰(zhàn)。

第一，是數(shù)據(jù)安全，傳統(tǒng)的業(yè)務(wù)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(shù)字化轉(zhuǎn)型后，大量甚至是全部企業(yè)數(shù)據(jù)都被存儲在虛擬空間并同產(chǎn)業(yè)鏈的上下游連接，這在加速信息分享的同時，也增大了企業(yè)數(shù)據(jù)遺失造成的損失，因此，在數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程中，數(shù)據(jù)安全應(yīng)當(dāng)被作為最高優(yōu)先級，并始終貫穿于整個數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程中。

第二，一個行業(yè)中的上下游企業(yè)，擁有不同的管理流程，使用不同供應(yīng)商的數(shù)字管理工具，鑒于各大供應(yīng)商都采用孤立數(shù)字生態(tài)圈的競爭策略，系統(tǒng)互不兼容，這為破除信息孤島設(shè)置了更多的人為障礙。

第三，數(shù)字化人才隊伍的培養(yǎng)，在數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程中，企業(yè)面臨老員工不懂 IT 技術(shù)，外聘 IT 人員又不懂公司業(yè)務(wù)的窘境。如何維持老員工再學(xué)習(xí)和 IT 人才引進(jìn)之間的平衡，也是企業(yè)在進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程當(dāng)中需要認(rèn)真思考的問題。

第四，數(shù)字化轉(zhuǎn)型是一項系統(tǒng)化、復(fù)雜化、高風(fēng)險和高投入的活動。大型企業(yè)擁有足夠的資源進(jìn)行變革，進(jìn)而在某些領(lǐng)域進(jìn)一步加強(qiáng)優(yōu)勢。而對于很多身處同行業(yè)的中小企業(yè)而言，如何低耗高效地完成數(shù)字化轉(zhuǎn)型，也是頗具價值的議題。

6 結(jié)束語

列舉了在當(dāng)前越來越復(fù)雜、多變、且多樣化的市場背景下傳統(tǒng)制造企業(yè)產(chǎn)品設(shè)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(chǎn)品研發(fā)團(tuán)隊響應(yīng)速度慢、溝通效率低、版本管理失效風(fēng)險高和正向研發(fā)能力弱等四個結(jié)論，得出了使用數(shù)字孿生、PLM 系統(tǒng)和3D 打印技術(shù)能夠幫助企業(yè)有效解決產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)不匹配，產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同困難、知識復(fù)用率低和定制化開發(fā)成本高等結(jié)論。最后，指出了獨立數(shù)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(xì)描述了該數(shù)字化組合解決方案的工作流程。傳統(tǒng)制造企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程當(dāng)將會面臨的數(shù)據(jù)安全，信息孤島和資源瓶頸這四大挑戰(zhàn)。