第1章 网络协同研发新模式：中航一飞院
观点文章 以数字化推动网络协同研发
数字化是新工业革命的重要基础。德国工业4.0战略的目标，是使用物联网技术，把产品、机器、资源、人有机联系在一起，在数字化的基础上推动产品全生命周期和制造全流程的智能化。《中国制造2025》提出重构制造业，通过制造业和信息产业的深度融合，推动向智能制造转型。基于数字化的研发新模式契合了新工业革命的种种特征，为复杂产品的研发模式创新提供了重要方法和途径。
新时代需要企业快速反应
在新一代信息通信技术的驱动下，新技术、新工艺、产品新功能从出现到商业化应用的时间大大缩短，这需要研发活动对制造环节产生的信息做出快速反应。借助信息技术、虚拟网络，消费者可以时刻追踪产品研发和制造的进度，一些产品在制造的同时就已经在被消费，制造能力保障了在极短时间就能够生产满足消费者购买的产能，发达的物流网络将产品快速送到消费者和用户手中，这对传统生命周期理论造成巨大冲击，同时也要求研发活动必须对制造过程中产生的问题、提出的要求能够实时进行调整。一些设计上的缺陷可能难以在实验室中被发现，而一旦进入制造阶段就能够暴露出来；同样的，一些优化改进和异于传统的设计可能被制造人员忽略。由于产品生命周期的缩短，最好的办法是研发与制造同步进行，无论是设计还是制造上的问题都能够及时修正，以保障在最短时间内向市场推出合格的新产品。
“社会制造”开始兴起
社会化生产的兴起，必然带来社会化的研究开发，这使得研发和制造同时分散到各个工厂中。前两次工业革命所产生的都是基于工厂范围的集中型生产方式，特别是第二次工业革命更是将此方式发挥得淋漓尽致，涌现了众多规模庞大的生产企业及工厂。在本轮以数字化为代表的新工业革命和产业变革中，信息技术的飞跃发展使大量物质流被成功虚拟化，从而转化为信息流。因此除必要的实物生产资料和产品外，生产组织中的各环节可被无限细分，从而使生产方式呈现出社会化生产的重要特征。目前，一些发达国家已出现专门为网络设计者、用户提供制造和产销服务的社区工厂，个人能够通过在线交流进行产品的研发、设计、筛选和完善，有效降低行业的进入门槛，提高了制造业各主体间的沟通效率，“社会制造”（social manufacturing）这一新型产业组织模式逐渐形成。
用户深度参与创新
用户参与是近年来兴起的新的业态形式。在信息网络技术的支撑下，用户能够介入产品研发、设计和制造过程，这不仅使得最终产品能够更加满足用户需要、突出个性化，更重要的是，形成新的研发和制造力量。用户参与的一个特点是使得产品价值链的两端连接在一起，并构成了企业核心竞争力，例如小米手机的系统开发过程。在这种情况下，制造环节反映的问题经过用户的筛选，以用户参与的方式反映给设计环节。相对于研发与制造的交互，用户参与是更加有效的信息传递通道，因为作为产品的使用者最了解产品缺陷和改进空间，也最愿意将信息传递到产品的研发设计和制造部门。
产品研制正在从线性串行走向并行协同
传统的产品创新模式是“产品设计—产品开发—产品制造”。所谓的产品创新主要指的是实验室的产品设计和开发，制造仅仅是“实现”创新的一个环节。而随着全过程数字制造技术的成熟，“设计、开发和制造”的一体化将使传统的“线性”创新过程变为一体化的“并行”创新过程，制造直接成为创新的一部分，生产现场像实验室一样成为创新的场所，制造资产成为企业创新系统的一部分（Pisano & Shih,2012）。数字化设计与制造采用全三维数字技术，生产数据的发放均通过三维模型执行。数字化技术带来巨大研制优势，设计人员和生产人员可以从全三维模型中得到所有的工程信息，极大地提高了各参与环节、部门之间协调的效率。从横向看，多学科、多专业、多合作单位借助数字化平台充分整合起来，所有设计制造数据通过数字化设计平台高效地流转传递；从纵向看，数字化技术贯穿了整个设计研发制造流程，各个阶段都借助于数字化工具极大地提高了研制效率。从产品架构的视角看，信息网络技术将重新定义制造业务的战略功能。从产业生态看，数字化技术改变产业生态，使得互联网广泛融入生产制造全过程、全产业链和产品全生命周期，催生一批新技术、新业态和新模式，成为引领制造产业转型升级的重要驱动力。
重构数字化、网络化的协同研制新模式
随着计算机辅助制造等产品开发技术的发展与成熟，新产品推出的速度不断加快。传统的大规模生产和大规模定制的制造系统都是针对特定模块或产品设计的，充其量仅能满足产品在功能和结构方面微小的改进或调整。可重构制造系统则可以通过制造系统自身的调整，快速生产出结构和功能有显著改变、甚至突破性变革的新产品，因而大大提高了对市场的反应能力。构建高度数字化的信息物理系统是重构制造系统的关键。
数字化技术是基础
数字化并行协同技术是高端装备设计制造的基础。大型装备设计的业务主体多、设计环节协调频繁、产品构型众多、零件材料和形状各异、内部结构复杂、空间紧凑、各类系统布置密集以及零组件数量巨大等特点，导致大型装备研制过程复杂、周期长、技术难度大。一个部门或一个企业很难独立完成复杂产品的设计制造，需要相关主体共同合作。以波音公司为例，波音777飞机作为世界上第一个采用全数字化定义和无图纸生产技术的大型工程项目，早已成为全世界制造业应用信息技术的标志性事件。采用数字化技术，波音对10多万个零件全部实行数字化设计，并在计算机上进行数字化预装配，在协同工作的环境与系统中消除了12000处干涉问题，并使分布在全球60多个国家的飞机零件供应商能够方便地通过网络数据库实时存取零部件信息。基于数字化的研制一体化模式，就是采用数字化产品定义、异地无纸设计、数字化制造、数字化预装配技术、数字化虚拟样机技术、网络技术和并行工程等技术，实现产品研发从串联设计到并联协同，从而降低设计误差与返工率，降低设计费用和生产成本，并缩短研制周期。
研发流程创新是前提
数字化协同是复杂、大型装备的研制难点。在数字化环境下的并行协同设计制造需要解决以下主要问题：（1）数字化环境下制造工艺审查、工艺准备、工装设计等环节与研发设计的并行协调机制、环境的建立、运行的问题，保证产品设计数据与制造工艺人员使用数据的一致性和实时性；（2）数字化环境下设计制造异地协同问题。主要包括数字化并行协同技术体系差异性问题、数据异构问题、信息传递和管理问题、设计更改的实时更新问题、知识工程的共享与安全问题等；通过数字化并行协同技术在大飞机等复杂产品研制中的应用，将在所有设计商、制造商之间架起信息高速公路，解决信息异构、信息实时传递、实时更新等问题。
在信息时代，数字技术是必然手段。随着数字化技术的应用，产品设计、制造模式均发生了变化，由传统的工程图纸、实物样机、模拟量传递为主的设计制造串行模式，发展成为基于模型的设计（model-based design, MBD）和数字量传递的数字化设计制造并行模式。然而，实现某一个零件、一个部件、一个产品乃至整套系统的数字化并不是最难的，真正的困难在于数字化引发的研制模式的转型：技术上——从实物样机协调变成数字样机协调与协同；管理上——从人工的串行流程协调变成数字化的并行流程协同，彻底地改变了传统的工程研制过程及其技术管理体系。
构建虚实结合的协同研制新平台
工业智能化、网络化、服务化的技术基础是信息物理系统（cyberphysical system, CPS），是由能够互联、互通信息、发出指令并进行控制的智能生产设备构成。传统工业依靠单体设备功能提升、生产制造单元局部优化发展到今天，向上提升能力的空间逐步变小，但借助以互联网为代表的信息技术仍然可以进一步优化生产制造全过程，取得降低成本、提升效率的成效。例如，波音777项目颠覆了以模拟量传递的产品研制模式，通过构建数字化的协同工作平台，不仅实现产品数字化定义、数字化制造与数字化管理，而且实现异地协同设计与异地协同制造，从而大大缩短研制周期、降低成本、提高质量，最终赢得市场。
数字技术驱动研发的并行革命，主要标志就是以全面采用数字化产品定义、数字化预装配、产品数据管理、并行工程和虚拟制造技术。通过采用全三维数字化设计，构建类似信息物理系统标准体系，不断研发行业开发工具、知识库、组件库等通用开发平台，使得设计模式率先实现从“承接制造+产品创新”向“产品创新+过程创新”的并行模式转型。一般而言，产品创新强调正式研发和实验室的作用，强调科学家和研发人员等少数技术精英；而过程创新是涉及所有劳动者的集体性能力提升，除了生产装备现代化和现场管理方式优化外，过程创新还要求将现场工人由简单劳动者转化为技能和知识型员工，因而是一种更加普惠性、包容性的创新。通过加强配套企业与设备供应商的合作，加强关键零部件和复杂系统的内部研发，使制造技术成为企业的专有技术和独特竞争优势（Kotha,1995）。
基于信息物理系统的并行创新模式，还体现在利用现代制造技术赋予传统产业和制造环节新的竞争优势。未来中国制造业的转型升级不仅仅是技术改造，而是制造系统的重新选择以及与新的要素投入结构相适应的制造系统优化。新型制造体系要求在产品设计阶段就能够充分体现产品稳定性、可靠性和可制造性等工艺要求，在这种情况下，产品设计和生产工艺之间的互动变得越来越重要。采用面向产品全生命周期、具有丰富设计知识库和模拟仿真技术支持的数字化设计系统，在虚拟现实、计算机网络、数据库等技术支持下，可在虚拟的数字环境里并行、协同实现产品的全数字化设计，实现产品结构、性能、功能的模拟仿真与优化，极大地提高了产品设计质量和一次研发成功率。与此同时，采用并行协同设计的研制过程，通过互联网与产业链各环节紧密协同，基于全三维数字标准不断促进生产制造、质量控制和运营管理系统全面互联，从而率先实现网络化协同制造新模式。