搜索周末精粹|“正向设计”新解
2016-10-25 by:CAE仿真在线 来源:互联网
[定义] 正向设计:以系统工程理论、方法和过程模型为指导,面向复杂产品和系统的改进改型、技术研发和原创设计等场景,以需求拉动和技术推动为动力,不以仿制抄袭山寨为手段和目的,可以借鉴逆向设计的方法手段消化吸收各种现有技术和成果,以提升企业自主创新能力和设计制造一体化能力为目标的设计活动、设计方法和解决方案体系。
1 历史渊源
“正向设计”这个术语概念,与产品设计方法学、产品全生命期管理(PLM)的其他术语不同,这是一个极少见的、不来源于西方发达国家、没有与其直接对应的英文术语、而具有鲜明中国特色的、却又没有严格中文定义的术语。而且,即使在中文语境下,“正向设计”也不是一个新概念,参见下面图表(表1-表3、图1-图3)中百度学术(截止至2016年4月底)和中国知网(篇名或关键词中包含“正向设计”,截止至2016年7月中旬)的检索结果。
表1 “正向设计”一词在百度学术上的搜索结果统计
图1 百度上“正向设计”相关热搜词
图2 中国知网“正向设计”检索结果的学科分布
图3 中国知网“正向设计”检索结果的年度分布
表2 中国知网“正向设计”检索结果列表——上世纪
表3 中国知网“正向设计”检索结果列表——2016年
虽然不是新概念,但在中国工业化进程快速发展的三十多年过程中,正向设计并没有受到各行业的广泛关注而走红。相反,反向设计(微电子行业的叫法)、反向工程/逆向工程(软件行业的叫法)、逆向设计(汽车行业的叫法),都要比正向设计热俏得多。从图2可以看出,汽车、电子和软件这三个行业领域正向设计相关文献占了全部检索结果的62%,而汽车行业一个领域就占了全部检索结果的37%。从图3、表2、表3可以看出,在上世纪80年代末到90年代,正向设计仅用于集成电路和芯片等微电子行业和领域,而进入新世纪,汽车行业相关的正向设计文章占据了绝对优势。而且,在这一正好三十年的发展过程中,正向设计从来都是作为反向设计(微电子行业的叫法)、反向工程/逆向工程(软件行业的叫法)、逆向设计(汽车行业的叫法)的对立面或正面形象出现的。由于行业和学科特点的差异,上述各对立面的方法内涵也不尽相同,而且上述各行业对待相应反面形象的各种方法的态度也有很大差异。下面以机电产品(如航空和汽车)、微电子产品和软件产品为例分别阐述,来说明为什么说“正向设计”这一术语具有鲜明的中国特色。
2 正统之辨
在国防军工、特别是航空行业,某些国家,如前苏联(如表4所示)和中国,在某些特定的历史阶段有所谓的参照其他国家原准机(而非自己国家自身产品)“设计”的“原准法”,甚至是一个尺寸都不能改或不敢改的测绘仿制,多数情况下没有图纸、只有实物,由实物反推图纸、反推设计、反推需求。历史的发展证明,这种不需承担技术风险的“原准法”并非始终有效的设计方法,在设计理论上没有得到合理阐述,在航空发展史上仅有非常有限、而非明显的促进作用(这一点,回顾对比中国航空发展史的从测绘仿制、到改进改型、再到自主研发的过程和中国航天发展史的自主创新之路,尤为明显),其出现是特定历史条件的产物,并不是航空航天产品等复杂系统设计本身的规律所决定,目前已被各国所摒弃。
表4 前苏联测绘仿制的欧美航空航天产品
基于“原准法”的测绘仿制是典型的逆向设计活动。特别是在早期武器装备的测绘仿制过程中,存在大量的相对低水平的逆向设计活动(如图4红色箭头所示),即仅由实物反推到图纸、反推到设计,而无需反求到军方原始需求。例如,测绘仅能测得零件的实际尺寸,但公差如何给,绝对是个技术活(公差配合的精度很大程度上决定了零件的可靠性和使用寿命),这一步的逆向,正所谓知其然知其所以然。
在经济日益国际化、市场化的今天,复杂产品和系统的测绘仿制已不可行、且没必要。对于后发工业化国家来说,从引进消化吸收国外先进产品和技术、或从分析国内外竞争对手的现有技术和产品开始,再到改进改型、再创新,是复杂工业品研发模式演进必不可少、不可逾越的历史发展阶段,其作用是站在前人或巨人的肩膀上,锻炼研发队伍,提升企业核心竞争力。
图4 逆向设计在系统工程实体V模型中的体现
对于花了真金白银买了国外产品的图纸和专利技术等知识产权的引进消化吸收,不能简单地认为是逆向设计或逆向工程,而需要具体情况具体分析。对于只引进、没有或很少花精力消化吸收,相当于省却了“原准法”开始阶段低水平的逆向设计,说白了是半路起家、囫囵吞枣的抄,这只是没走完正向设计的全过程全内容的、低水平的正向设计。对于注重引进之后的消化吸收再创新,由于和逃避技术风险的“原准法”目的不同,这里一定包含了反推到需求的高水平的逆向设计活动(如图4绿色箭头所示),特别是在消化吸收阶段;而到了再创新阶段,则是完整的正向设计过程。航空行业有两个非常典型的引进消化吸收的例子,一是上世纪七十年代引进英国斯贝航空发动机,历时30年到2003年完成国产化;一是上世纪九十年代从俄罗斯引进苏-27SK,历时20年衍生出性能全新的歼-11B,两者对比鲜明。其他行业,高铁是走引进消化吸收再创新之路比较成功的案例,各种汽车生产线的引进基本上是失败案例。
图5 以逆向设计为主线的现有技术分析示意流程
对于自主研发创新模式下的分析国内外竞争对手的现有技术和产品,本质上和引进消化吸收模式中的消化吸收是一致的,差别只是在,一个是自己做饭、找米下锅,另一个是花钱买饭,别人把饭端到眼前。所以,现有技术分析(见图5泳道图示例流程)包含了比引进消化吸收更高水平的逆向设计活动(如图4黄色箭头所示),而且是在更大的自主研发创新模式的正向设计框架下的逆向设计,不是一般的研发团队能干得了的。例如,中国在研发新一代战斗机时肯定研究分析了国外同代型号,国内型号本身是正向设计过程,但看到国外型号的各种图片、视频、新闻报道,要反推其全面的性能指标、作战需求和使用场景。沈阳机床集团上海开发团队为开发新一代智能数控机床i5,学习国外先进技术、算法和仪器进行倒推和逆向工程时所采取的态度、方法和流程也是如此。
在微电子行业,反向设计是描述集成电路设计方法的一个专有名词,它是通过拍摄和放大已有芯片照片得到版图的几何图形。而正向设计则是根据产品确定的指标和要求,从电路原理或系统原理出发,通过查阅相关规定和标准,利用已有知识和能力来设计模块和电路,最后得到集成电路物理实现所需的几何图形。在本世纪初,微电子行业内的大讨论使大家认识到,无论是低端芯片公司干的集成电路磨片、还是山寨电子公司干的PCB抄板,反向设计就是微电子行业发展的“兴奋剂”,宏观上对行业发展饮鸩止渴、扼杀创新,微观上对研发团队的成长无任何帮助,应该摒弃。
在软件行业,逆向工程又称反向工程,是指从可运行的程序系统出发,运用解密、反汇编、系统分析、程序理解等多种计算机技术,对软件的结构、流程、算法、代码等进行逆向拆解和分析,推导出软件产品的源代码、设计原理、结构、算法、处理过程、运行方法及相关文档等。2007年初,最高人民法院的司法解释为逆向工程正名,承认了逆向工程技术用于学习研究的合法性。
从上面各行业领域的实际情况可以看出,正向设计的对立面,即逆向设计/反向设计/反向工程/逆向工程等各种做法,有一些是现代产品研发中不可或缺的设计方法,有其特点、作用和价值,当然要首先解决知识产权等法律和道德层面上的问题。逆向的本意是自己在家里去努力理解对手怎么做,而后去再创新,绝对不是直接抄了低价卖。逆向工程在道德上是中性的,是工具性的,关键在于使用者人如何使用,尤其是是否符合既有的游戏规则。例如,近年来,逆向设计法在飞机、汽车、工艺美术品和模具等由复杂的自由曲面拼接而成的产品模型制作和造型设计中逐渐走向成熟,由于技术难度和开发成本较低,可以简化设计流程、缩短开发周期,并为正向设计累计经验。当然,作为一种设计方法,逆向设计也有其缺点,例如无法复制技术含量等能力因素,“原准”产品的问题缺陷大多遗传下来、往往质量比被复制的“原准”产品更差,贻误自主研发能力的增长速度,对企业进军国际市场不利,而且会涉及知识产权等问题。
从上面的分析,可以看出,正向设计有高低之分(是引进还是原始创新),逆向设计也有高低之分(是反推设计、还是反推需求),现代复杂产品的逆向设计同样要遵循系统工程方法和过程;我国武器装备等复杂工业品的研发模式经历由低端向高端演化的过程,每个历史时期的研发模式都可以说是正向设计和逆向设计混合应用的模式。随着知识产权保护的理念日益巩固,正向设计的主战场已在中国拉开。
既然如此,为什么正向设计与逆向设计之间还会有纲与目、体和用的正统之争?为什么现在要大力提倡建设正向设计能力?为什么高水平的正向设计能力建设要强调系统工程的纲领性作用?对逆向设计不是一棒子打死、而采取兼收并蓄的包容态度?让我们回归设计的本源,探一究竟。
3 回归本源
设计是人类为实现某种特定目的(即将客观需求转化为满足该需求的人工系统,包括人工物理系统和人工抽象系统)而进行的创造性活动。需求是设计的源动力,设计的本质是创新,是创造一种人类更加合理的生存方式(包括生产、生活和交流方式等),设计的最终目的是人、自然与社会这一复杂巨系统的协调发展和进化。所以,当一个设计活动、设计模式、设计方法的最终目的不是为了创造和创新,那么这种“设计”活动、模式、方法就不是真正的设计。
之所以国外产品设计方法学的各家各派中没有与“正向设计”相对应的术语概念(但并不意味着国外没有基于正向设计理念的产品研发实践,恰恰相反,这样的实践在发达国家是常识),“正向设计”这一术语之所以具有中国特色,只有中国存在正向设计与逆向设计的正统之争,这和作为后发工业化国家的中国的现实状况直接相关,即一方面上世纪引进消化测绘仿制等“拿来主义”的发展模式和研发模式强化了产业实践和工程教育的科技人员畏于创新的保守心态,另一方面我们缺乏正确的义利观,尚未完全摆脱急功近利的发展思路(如图6所示)。
图6 由制造业转型升级的内部困难、核心问题和根本原因导出正向设计体系和能力建设需求
正因为如此,正向设计的定义以及安世亚太提出的正向设计咨询体系,强调自主创新是目标、系统工程是核心。这样的定义,区分和排除了中国工业化进程中特别是上世纪七八十年代部分工业品用真金白银买了图纸和专利等知识产权的引进消化吸收或照搬照抄的低级的“正向”设计模式。
正因为如此,正向设计的定义里提出,“不以仿制抄袭山寨为目标”这一否定的说法(给概念术语下定义的方法和原则中有一条要求“正确使用否定定义”),是要强调正向设计的反面是具有道德和法律问题的仿制抄袭山寨,而不是字面上反义、实际中性的“反向设计”、“逆向设计”、“逆向工程”。从这个意义上说,正向设计对内不但是中国经济转型升级和实施中国制造2025的必由之路,对外也是洗刷众多行业发展原罪、重建市场信任、经济全球化环境下树立守规则负责任大国形象的必然选择。
正因为如此,我们在《为什么工业再设计是现阶段的突破口?——试论制造业转型升级的路径选择》一文中提出,符合科学发展观的中国三阶段创新路线图应该是“经济实力->技术实力->科技实力->科学实力”的可持续发展路径,其基本战略就是尽快摆脱山寨经济,循序渐进地向日、美、欧学习产品创新、技术创新和科学创新。即建设正向设计能力,是一个长期、动态、系统的学习和实践的积累过程,兼收并蓄,纲举目张,逐步由低端走向高端。
正向设计体系建设由低端向高端的能力成熟度提升过程,以系统工程为框架,以设计制造一体化为指引方向,从没按系统工程过程的低水平“正向”设计,到系统工程过程、模型、方法指导的产品正向设计,再到系统工程过程、模型、方法指导的工艺正向设计和材料正向设计,最后到基于系统工程框架的、实现了设计制造一体化的、整个产品系统全生命期的正向设计。
这样的正向设计体系坚持站在系统的高度把握整个产品设计、工艺设计和制造过程,从系统科学的角度分析产品结构与产品材料的关系,冷加工与热制造并重,使产品物化过程确认的技术内容与虚拟化边界条件互为补充及时验证,使设计与工艺、设计与制造之间不再是因果与顺序关系而是互为激励的活系统(如图6所示)。
这样的正向设计体系与安世亚太倡导的精益研发体系互相补充、相得益彰(如图7所示)。精益研发体系是面向企业研发体系建设的路线图指南,全面系统、体系完整;而正向设计体系从产品全生命期的角度出发,以系统工程为框架,以工程仿真和技术创新为使能技术,分别用价值、功能和能量的观点把握整个系统的产品设计、工艺设计和制造过程,聚焦设计、专注集成。图7中的工业再设计是正向设计解决方案体系中的业务场景之一,是指对于处于成熟期(技术系统进化S曲线的第三阶段)的工业品或技术系统,采用突破性的新技术、新工艺或新材料,不改变原有产品的功能和用途,站在系统的高度、从需求本源、以效法自然的方式探索设计的本质,用价值的观点、功能的观点和能量的观点把握整个系统的产品设计、工艺设计和制造过程,利用仿真优化等技术和精密铸造、增材制造等工艺重新审视和改进原有设计,拓展设计自由度,以实现再设计后的产品在设计、制造和使用阶段结构和材料的最佳组合,进而拓展该类技术系统沿S曲线进化的自然极限。
图7 安世亚太倡导的精益研发体系与正向设计/工业再设计体系的关系及其在推进实施《中国制造2025》中的位置
这样的正向设计体系不是为了创立一种类似于公理化设计、TRIZ、QFD、健壮设计(或称鲁棒设计、稳健设计,robust design)、DFSS等的全新设计方法。上述这些方法都是成熟的设计方法和工具,都是产品设计方法学和正向设计体系工具箱的各种工具,它们单独拿出来,都没法在图7摆上自己位置。而需要一个框架把它们之间的关系和位置找出来,这个框架就是系统工程;需要一个体系把它们面对复杂产品和系统的改进改型、技术研发和原创设计等各种场景的应用过程、切换步骤和注意事项找出来,这个体系就是正向设计体系。
这样的正向设计体系是给安世亚太由工业软件公司向工业软件和工业品设计公司转型的一项新业务下定义,要能明确这个新业务的内涵本质和外延边界,要能回答与传统各种产品设计类型、各种设计方法和工具的关系是什么、哪些工业品需要再设计、面向各种应用场景给客户-企业-行业乃至国家带来的价值是什么等问题。
回归本源。为应对中国经济转型升级过程中对自主创新的强烈需求,并为《中国制造2025》中的设计制造一体化提供可落地实施的解决方案,在为《中国制造2025》中的研发设计提供精益研发解决方案的基础上,安世亚太公司分析、总结和提炼中国工业化进程中的各行业复杂产品研发实践和经验,正本清源,给出了正向设计具有时代意义的全新定义,并提出正向设计解决方案体系。
4 结语
设计的最终目的是人、自然与社会这一复杂巨系统的协调发展和进化。站在人、自然与社会协调发展和进化的高度看待正向和逆向,会得出一些有益的结论。无论是工程科学的人与自然和人造物的关系,还是心理学的人与自己的关系、管理学的人与人的关系,其中正向与逆向、正向与负面、积极与消极之间的关系不是非此即彼的对立关系,而是包容和接纳的关系。之所以是前者包容接纳后者、而非相反,是因为正向和积极代表了人造物和人的个性发展的由低级到高级、由幼稚到成熟的进化方向。
正向设计和逆向设计说的是人与人造物之间的关系,其中的正向、逆向是人认识和改造人造物的过程中的做事步骤,实质是分析问题解决问题的思维步骤,逆向之所以(有时候是)负面,是因为逆向的对象是别人的东西、而且这时逆向的目的是不劳而获坐享其成、而不是站在前人或巨人的肩膀上后发超越。而心理学的教练技术中的正向积极与负面消极说的是人与自己内心、人与人(首先是人与自己内心)之间的关系,其中的正向、负面是人看清认识自己的过程中的各种情绪的相互作用,那些难过悲伤愤怒郁闷的情绪之所以被认为是负面消极,是因为这些情绪被用来衬托那些积极正向情绪的高大上,这时这些负面消极情绪的归宿是要被压抑乃至消灭的。人与物的关系和人与人的关系,这两者有异曲同工之妙。
不唯一处有创新,人生而不同,关注于人的潜力发挥与个性发展,进而提升组织效率,是人和组织的进化方向;人的需求是无限发展的,只有以正向设计顺应需求的无限发展,人造物的世界才充满多样性、并显得可爱。
最后,如果正向设计作为一种设计活动,可以翻译成systematic forward design;如果正向设计是指设计方法和解决方案体系,可以翻译成forward design methodologies/solutions based on systems engineering。可以用这两种翻译把中国人强调的正向设计解释给外国人听。
致谢
感谢崔晓琰、章建国两位同事对本文的贡献。感谢北京联讯动力林雪萍总的对本文的指正和完善。
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