搜索周末精粹|“正向設計”新解
2016-10-25 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
[定義] 正向設計:以系統工程理論、方法和過程模型為指導,面向復雜產品和系統的改進改型、技術研發和原創設計等場景,以需求拉動和技術推動為動力,不以仿制抄襲山寨為手段和目的,可以借鑒逆向設計的方法手段消化吸收各種現有技術和成果,以提升企業自主創新能力和設計制造一體化能力為目標的設計活動、設計方法和解決方案體系。
1 歷史淵源
“正向設計”這個術語概念,與產品設計方法學、產品全生命期管理(PLM)的其他術語不同,這是一個極少見的、不來源于西方發達國家、沒有與其直接對應的英文術語、而具有鮮明中國特色的、卻又沒有嚴格中文定義的術語。而且,即使在中文語境下,“正向設計”也不是一個新概念,參見下面圖表(表1-表3、圖1-圖3)中百度學術(截止至2016年4月底)和中國知網(篇名或關鍵詞中包含“正向設計”,截止至2016年7月中旬)的檢索結果。
表1 “正向設計”一詞在百度學術上的搜索結果統計
圖1 百度上“正向設計”相關熱搜詞
圖2 中國知網“正向設計”檢索結果的學科分布
圖3 中國知網“正向設計”檢索結果的年度分布
表2 中國知網“正向設計”檢索結果列表——上世紀
表3 中國知網“正向設計”檢索結果列表——2016年
雖然不是新概念,但在中國工業化進程快速發展的三十多年過程中,正向設計并沒有受到各行業的廣泛關注而走紅。相反,反向設計(微電子行業的叫法)、反向工程/逆向工程(軟件行業的叫法)、逆向設計(汽車行業的叫法),都要比正向設計熱俏得多。從圖2可以看出,汽車、電子和軟件這三個行業領域正向設計相關文獻占了全部檢索結果的62%,而汽車行業一個領域就占了全部檢索結果的37%。從圖3、表2、表3可以看出,在上世紀80年代末到90年代,正向設計僅用于集成電路和芯片等微電子行業和領域,而進入新世紀,汽車行業相關的正向設計文章占據了絕對優勢。而且,在這一正好三十年的發展過程中,正向設計從來都是作為反向設計(微電子行業的叫法)、反向工程/逆向工程(軟件行業的叫法)、逆向設計(汽車行業的叫法)的對立面或正面形象出現的。由于行業和學科特點的差異,上述各對立面的方法內涵也不盡相同,而且上述各行業對待相應反面形象的各種方法的態度也有很大差異。下面以機電產品(如航空和汽車)、微電子產品和軟件產品為例分別闡述,來說明為什么說“正向設計”這一術語具有鮮明的中國特色。
2 正統之辨
在國防軍工、特別是航空行業,某些國家,如前蘇聯(如表4所示)和中國,在某些特定的歷史階段有所謂的參照其他國家原準機(而非自己國家自身產品)“設計”的“原準法”,甚至是一個尺寸都不能改或不敢改的測繪仿制,多數情況下沒有圖紙、只有實物,由實物反推圖紙、反推設計、反推需求。歷史的發展證明,這種不需承擔技術風險的“原準法”并非始終有效的設計方法,在設計理論上沒有得到合理闡述,在航空發展史上僅有非常有限、而非明顯的促進作用(這一點,回顧對比中國航空發展史的從測繪仿制、到改進改型、再到自主研發的過程和中國航天發展史的自主創新之路,尤為明顯),其出現是特定歷史條件的產物,并不是航空航天產品等復雜系統設計本身的規律所決定,目前已被各國所摒棄。
表4 前蘇聯測繪仿制的歐美航空航天產品
基于“原準法”的測繪仿制是典型的逆向設計活動。特別是在早期武器裝備的測繪仿制過程中,存在大量的相對低水平的逆向設計活動(如圖4紅色箭頭所示),即僅由實物反推到圖紙、反推到設計,而無需反求到軍方原始需求。例如,測繪僅能測得零件的實際尺寸,但公差如何給,絕對是個技術活(公差配合的精度很大程度上決定了零件的可靠性和使用壽命),這一步的逆向,正所謂知其然知其所以然。
在經濟日益國際化、市場化的今天,復雜產品和系統的測繪仿制已不可行、且沒必要。對于后發工業化國家來說,從引進消化吸收國外先進產品和技術、或從分析國內外競爭對手的現有技術和產品開始,再到改進改型、再創新,是復雜工業品研發模式演進必不可少、不可逾越的歷史發展階段,其作用是站在前人或巨人的肩膀上,鍛煉研發隊伍,提升企業核心競爭力。
圖4 逆向設計在系統工程實體V模型中的體現
對于花了真金白銀買了國外產品的圖紙和專利技術等知識產權的引進消化吸收,不能簡單地認為是逆向設計或逆向工程,而需要具體情況具體分析。對于只引進、沒有或很少花精力消化吸收,相當于省卻了“原準法”開始階段低水平的逆向設計,說白了是半路起家、囫圇吞棗的抄,這只是沒走完正向設計的全過程全內容的、低水平的正向設計。對于注重引進之后的消化吸收再創新,由于和逃避技術風險的“原準法”目的不同,這里一定包含了反推到需求的高水平的逆向設計活動(如圖4綠色箭頭所示),特別是在消化吸收階段;而到了再創新階段,則是完整的正向設計過程。航空行業有兩個非常典型的引進消化吸收的例子,一是上世紀七十年代引進英國斯貝航空發動機,歷時30年到2003年完成國產化;一是上世紀九十年代從俄羅斯引進蘇-27SK,歷時20年衍生出性能全新的殲-11B,兩者對比鮮明。其他行業,高鐵是走引進消化吸收再創新之路比較成功的案例,各種汽車生產線的引進基本上是失敗案例。
圖5 以逆向設計為主線的現有技術分析示意流程
對于自主研發創新模式下的分析國內外競爭對手的現有技術和產品,本質上和引進消化吸收模式中的消化吸收是一致的,差別只是在,一個是自己做飯、找米下鍋,另一個是花錢買飯,別人把飯端到眼前。所以,現有技術分析(見圖5泳道圖示例流程)包含了比引進消化吸收更高水平的逆向設計活動(如圖4黃色箭頭所示),而且是在更大的自主研發創新模式的正向設計框架下的逆向設計,不是一般的研發團隊能干得了的。例如,中國在研發新一代戰斗機時肯定研究分析了國外同代型號,國內型號本身是正向設計過程,但看到國外型號的各種圖片、視頻、新聞報道,要反推其全面的性能指標、作戰需求和使用場景。沈陽機床集團上海開發團隊為開發新一代智能數控機床i5,學習國外先進技術、算法和儀器進行倒推和逆向工程時所采取的態度、方法和流程也是如此。
在微電子行業,反向設計是描述集成電路設計方法的一個專有名詞,它是通過拍攝和放大已有芯片照片得到版圖的幾何圖形。而正向設計則是根據產品確定的指標和要求,從電路原理或系統原理出發,通過查閱相關規定和標準,利用已有知識和能力來設計模塊和電路,最后得到集成電路物理實現所需的幾何圖形。在本世紀初,微電子行業內的大討論使大家認識到,無論是低端芯片公司干的集成電路磨片、還是山寨電子公司干的PCB抄板,反向設計就是微電子行業發展的“興奮劑”,宏觀上對行業發展飲鴆止渴、扼殺創新,微觀上對研發團隊的成長無任何幫助,應該摒棄。
在軟件行業,逆向工程又稱反向工程,是指從可運行的程序系統出發,運用解密、反匯編、系統分析、程序理解等多種計算機技術,對軟件的結構、流程、算法、代碼等進行逆向拆解和分析,推導出軟件產品的源代碼、設計原理、結構、算法、處理過程、運行方法及相關文檔等。2007年初,最高人民法院的司法解釋為逆向工程正名,承認了逆向工程技術用于學習研究的合法性。
從上面各行業領域的實際情況可以看出,正向設計的對立面,即逆向設計/反向設計/反向工程/逆向工程等各種做法,有一些是現代產品研發中不可或缺的設計方法,有其特點、作用和價值,當然要首先解決知識產權等法律和道德層面上的問題。逆向的本意是自己在家里去努力理解對手怎么做,而后去再創新,絕對不是直接抄了低價賣。逆向工程在道德上是中性的,是工具性的,關鍵在于使用者人如何使用,尤其是是否符合既有的游戲規則。例如,近年來,逆向設計法在飛機、汽車、工藝美術品和模具等由復雜的自由曲面拼接而成的產品模型制作和造型設計中逐漸走向成熟,由于技術難度和開發成本較低,可以簡化設計流程、縮短開發周期,并為正向設計累計經驗。當然,作為一種設計方法,逆向設計也有其缺點,例如無法復制技術含量等能力因素,“原準”產品的問題缺陷大多遺傳下來、往往質量比被復制的“原準”產品更差,貽誤自主研發能力的增長速度,對企業進軍國際市場不利,而且會涉及知識產權等問題。
從上面的分析,可以看出,正向設計有高低之分(是引進還是原始創新),逆向設計也有高低之分(是反推設計、還是反推需求),現代復雜產品的逆向設計同樣要遵循系統工程方法和過程;我國武器裝備等復雜工業品的研發模式經歷由低端向高端演化的過程,每個歷史時期的研發模式都可以說是正向設計和逆向設計混合應用的模式。隨著知識產權保護的理念日益鞏固,正向設計的主戰場已在中國拉開。
既然如此,為什么正向設計與逆向設計之間還會有綱與目、體和用的正統之爭?為什么現在要大力提倡建設正向設計能力?為什么高水平的正向設計能力建設要強調系統工程的綱領性作用?對逆向設計不是一棒子打死、而采取兼收并蓄的包容態度?讓我們回歸設計的本源,探一究竟。
3 回歸本源
設計是人類為實現某種特定目的(即將客觀需求轉化為滿足該需求的人工系統,包括人工物理系統和人工抽象系統)而進行的創造性活動。需求是設計的源動力,設計的本質是創新,是創造一種人類更加合理的生存方式(包括生產、生活和交流方式等),設計的最終目的是人、自然與社會這一復雜巨系統的協調發展和進化。所以,當一個設計活動、設計模式、設計方法的最終目的不是為了創造和創新,那么這種“設計”活動、模式、方法就不是真正的設計。
之所以國外產品設計方法學的各家各派中沒有與“正向設計”相對應的術語概念(但并不意味著國外沒有基于正向設計理念的產品研發實踐,恰恰相反,這樣的實踐在發達國家是常識),“正向設計”這一術語之所以具有中國特色,只有中國存在正向設計與逆向設計的正統之爭,這和作為后發工業化國家的中國的現實狀況直接相關,即一方面上世紀引進消化測繪仿制等“拿來主義”的發展模式和研發模式強化了產業實踐和工程教育的科技人員畏于創新的保守心態,另一方面我們缺乏正確的義利觀,尚未完全擺脫急功近利的發展思路(如圖6所示)。
圖6 由制造業轉型升級的內部困難、核心問題和根本原因導出正向設計體系和能力建設需求
正因為如此,正向設計的定義以及安世亞太提出的正向設計咨詢體系,強調自主創新是目標、系統工程是核心。這樣的定義,區分和排除了中國工業化進程中特別是上世紀七八十年代部分工業品用真金白銀買了圖紙和專利等知識產權的引進消化吸收或照搬照抄的低級的“正向”設計模式。
正因為如此,正向設計的定義里提出,“不以仿制抄襲山寨為目標”這一否定的說法(給概念術語下定義的方法和原則中有一條要求“正確使用否定定義”),是要強調正向設計的反面是具有道德和法律問題的仿制抄襲山寨,而不是字面上反義、實際中性的“反向設計”、“逆向設計”、“逆向工程”。從這個意義上說,正向設計對內不但是中國經濟轉型升級和實施中國制造2025的必由之路,對外也是洗刷眾多行業發展原罪、重建市場信任、經濟全球化環境下樹立守規則負責任大國形象的必然選擇。
正因為如此,我們在《為什么工業再設計是現階段的突破口?——試論制造業轉型升級的路徑選擇》一文中提出,符合科學發展觀的中國三階段創新路線圖應該是“經濟實力->技術實力->科技實力->科學實力”的可持續發展路徑,其基本戰略就是盡快擺脫山寨經濟,循序漸進地向日、美、歐學習產品創新、技術創新和科學創新。即建設正向設計能力,是一個長期、動態、系統的學習和實踐的積累過程,兼收并蓄,綱舉目張,逐步由低端走向高端。
正向設計體系建設由低端向高端的能力成熟度提升過程,以系統工程為框架,以設計制造一體化為指引方向,從沒按系統工程過程的低水平“正向”設計,到系統工程過程、模型、方法指導的產品正向設計,再到系統工程過程、模型、方法指導的工藝正向設計和材料正向設計,最后到基于系統工程框架的、實現了設計制造一體化的、整個產品系統全生命期的正向設計。
這樣的正向設計體系堅持站在系統的高度把握整個產品設計、工藝設計和制造過程,從系統科學的角度分析產品結構與產品材料的關系,冷加工與熱制造并重,使產品物化過程確認的技術內容與虛擬化邊界條件互為補充及時驗證,使設計與工藝、設計與制造之間不再是因果與順序關系而是互為激勵的活系統(如圖6所示)。
這樣的正向設計體系與安世亞太倡導的精益研發體系互相補充、相得益彰(如圖7所示)。精益研發體系是面向企業研發體系建設的路線圖指南,全面系統、體系完整;而正向設計體系從產品全生命期的角度出發,以系統工程為框架,以工程仿真和技術創新為使能技術,分別用價值、功能和能量的觀點把握整個系統的產品設計、工藝設計和制造過程,聚焦設計、專注集成。圖7中的工業再設計是正向設計解決方案體系中的業務場景之一,是指對于處于成熟期(技術系統進化S曲線的第三階段)的工業品或技術系統,采用突破性的新技術、新工藝或新材料,不改變原有產品的功能和用途,站在系統的高度、從需求本源、以效法自然的方式探索設計的本質,用價值的觀點、功能的觀點和能量的觀點把握整個系統的產品設計、工藝設計和制造過程,利用仿真優化等技術和精密鑄造、增材制造等工藝重新審視和改進原有設計,拓展設計自由度,以實現再設計后的產品在設計、制造和使用階段結構和材料的最佳組合,進而拓展該類技術系統沿S曲線進化的自然極限。
圖7 安世亞太倡導的精益研發體系與正向設計/工業再設計體系的關系及其在推進實施《中國制造2025》中的位置
這樣的正向設計體系不是為了創立一種類似于公理化設計、TRIZ、QFD、健壯設計(或稱魯棒設計、穩健設計,robust design)、DFSS等的全新設計方法。上述這些方法都是成熟的設計方法和工具,都是產品設計方法學和正向設計體系工具箱的各種工具,它們單獨拿出來,都沒法在圖7擺上自己位置。而需要一個框架把它們之間的關系和位置找出來,這個框架就是系統工程;需要一個體系把它們面對復雜產品和系統的改進改型、技術研發和原創設計等各種場景的應用過程、切換步驟和注意事項找出來,這個體系就是正向設計體系。
這樣的正向設計體系是給安世亞太由工業軟件公司向工業軟件和工業品設計公司轉型的一項新業務下定義,要能明確這個新業務的內涵本質和外延邊界,要能回答與傳統各種產品設計類型、各種設計方法和工具的關系是什么、哪些工業品需要再設計、面向各種應用場景給客戶-企業-行業乃至國家帶來的價值是什么等問題。
回歸本源。為應對中國經濟轉型升級過程中對自主創新的強烈需求,并為《中國制造2025》中的設計制造一體化提供可落地實施的解決方案,在為《中國制造2025》中的研發設計提供精益研發解決方案的基礎上,安世亞太公司分析、總結和提煉中國工業化進程中的各行業復雜產品研發實踐和經驗,正本清源,給出了正向設計具有時代意義的全新定義,并提出正向設計解決方案體系。
4 結語
設計的最終目的是人、自然與社會這一復雜巨系統的協調發展和進化。站在人、自然與社會協調發展和進化的高度看待正向和逆向,會得出一些有益的結論。無論是工程科學的人與自然和人造物的關系,還是心理學的人與自己的關系、管理學的人與人的關系,其中正向與逆向、正向與負面、積極與消極之間的關系不是非此即彼的對立關系,而是包容和接納的關系。之所以是前者包容接納后者、而非相反,是因為正向和積極代表了人造物和人的個性發展的由低級到高級、由幼稚到成熟的進化方向。
正向設計和逆向設計說的是人與人造物之間的關系,其中的正向、逆向是人認識和改造人造物的過程中的做事步驟,實質是分析問題解決問題的思維步驟,逆向之所以(有時候是)負面,是因為逆向的對象是別人的東西、而且這時逆向的目的是不勞而獲坐享其成、而不是站在前人或巨人的肩膀上后發超越。而心理學的教練技術中的正向積極與負面消極說的是人與自己內心、人與人(首先是人與自己內心)之間的關系,其中的正向、負面是人看清認識自己的過程中的各種情緒的相互作用,那些難過悲傷憤怒郁悶的情緒之所以被認為是負面消極,是因為這些情緒被用來襯托那些積極正向情緒的高大上,這時這些負面消極情緒的歸宿是要被壓抑乃至消滅的。人與物的關系和人與人的關系,這兩者有異曲同工之妙。
不唯一處有創新,人生而不同,關注于人的潛力發揮與個性發展,進而提升組織效率,是人和組織的進化方向;人的需求是無限發展的,只有以正向設計順應需求的無限發展,人造物的世界才充滿多樣性、并顯得可愛。
最后,如果正向設計作為一種設計活動,可以翻譯成systematic forward design;如果正向設計是指設計方法和解決方案體系,可以翻譯成forward design methodologies/solutions based on systems engineering。可以用這兩種翻譯把中國人強調的正向設計解釋給外國人聽。
致謝
感謝崔曉琰、章建國兩位同事對本文的貢獻。感謝北京聯訊動力林雪萍總的對本文的指正和完善。
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