近年来，以物联网、大数据、云计算、人工智能、区块链、工业互联网为代表的数字技术加速渗透到制造业的各个环节，成为制造业转型升级的主要路径。无论从产业、企业、产品全生命周期哪个层面看，数字化改造过程都是由一系列相互关联的价值创造活动组成的链式集合，即数字技术应用场景始终跳不出研发设计、生产制造、营销服务、运营管理、规划决策等环节，并伴随应用的深化对这些环节产生深远影响，推动产业、企业及产品朝数字化、网络化、智能化方向发展。本文聚焦研发设计环节的数字化转型。

　　01

　　数字技术力促制造企业研发设计环节三大变革

　　研发设计作为制造企业最具创造力的环节，在全球化竞争和产品复杂程度不断提高的今天，面临着更加严峻的挑战。而随着网络平台的逐步成熟，各种开发软件的广泛普及，数字技术加速由单项应用向集成应用拓展，全面融入制造业研发设计环节，促使研发工具、主体、流程、运作方式正在经历如下深刻变革：

　　1、设计方法和工具的革命：从以物理试验为手段向以数字仿真为手段演变，由传统手工建模时代迈进数字化建模时代

　　纵观制造业产品设计方法和工具的发展历程：第一代技术为基于投影法的传统手工绘图模式。第二代技术为以二维CAD为主，三维模型为辅的经验式建模法。第三代技术是以创成式设计为代表的数字化建模方法，即围绕设计目标、功能、约束、几何关系、变形条件等，按一定逻辑规则，由算法和程序实现设计的过程，找到当前限制条件下的强大结构和完满设计方案。对于超出设计经验的新型复杂结构，第三代技术是最有效的。此外，产品试验验证也从物理试验的“试错法”向数字仿真演进，通过各种模拟手段，透视产品性能和过程质量。

　　如今，制造企业普遍利用数字化建模和仿真技术开展产品研发设计，极大提升了企业的设计创新能力和效率。工业设计软件使得自适应的关联设计成为可能。如：在飞机外形风洞试验优化中，基于软件特定算法，飞机骨架模型的变更会引导相关结构件自动做出自适应更改。数字仿真也是实现产品正向设计的重要手段。在需求开发、功能分解、系统设计、物理设计的过程中，借助仿真了解产品特性，开展架构性和颠覆式创新。基于数字孪生的研发体系正在形成。以新药研发为例，过去发现每种抗癌新药的靶点约需10年时间，如今基于数字技术找到靶点的速度快了10倍。

　　2、研发设计主体的变革：从封闭式“公司+雇员”的经典组织结构向开放式“工业互联网平台+海量个人”的全新组织形式转变

　　从研发设计主体看，制造企业正由依托企业内部研发设计部门为主向多主体合作演进。在研发设计软件经历单机版、网络版迈向云平台之后，企业研发设计主体发生了深刻变革：一在企业内部，考虑可生产性、可采购性、可定制性、可维护性、可盈利性的产品全生命周期研发管理体系的建立，使得多部门协同开发成为变革趋势。二在产业链上，跨地域、跨企业的协同研发平台支撑研发设计主体从企业内部研发部门扩展到整个供应链。三在全社会，基于社会化的创新平台将用户和第三方创新资源整合到研发设计体系中。

　　从组织架构和雇佣关系看，制造企业的研发设计组织形式正从“公司+有限雇员”的经典结构向“平台+海量个人”的全新结构转变。数字技术的应用使得新型研发组织不断涌现，企业与个人之间的长期雇佣关系也被打破。以众包模式为例：众包（Crowdsourcing）是把传统上由企业内部员工承担的工作任务，通过互联网以自由自愿的形式转交给企业外部的非特定群体来完成的一种组织模式。其扩大了企业的边界，使工作团队不再局限于企业内部。众包设计利用群体智慧弥补自身资源缺陷，充分发挥隐藏在大众中的巨大潜力，使优秀的外部智力资源为己所用，不仅增强了企业的核心竞争力，还大大降低了企业的设计成本。

　　3、研发设计模式的转变：研发设计流程由“串行模式”向“并行模式”演进，迈向网络化协同与软件定义的新阶段

　　基于传统的分工理论，制造企业产品研发设计流程基本上是一种串行工程，即企业把产品开发过程拆分成需求分析、结构设计、工艺设计、仿真验证等诸多环节，按照环节顺序逻辑在不同部门、人员、项目及设备之间推进。该模式的突出问题是效率低、成本高、周期长。

　　随着计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程（CAE）、计算机辅助工艺过程设计 (CAPP) 等新型设计软件的大规模使用，高度集成的数字化模型、研发工艺仿真体系以及网络化协同研发平台的建立，在流程中整合知识、工具和方法，将传统上相互独立、顺序进行的碎片化研发活动在时间和空间上实现了交叉、重组和优化，一些原本下游的开发工作，提前到了上游进行，基于互联网、云计算、大数据等数字技术，跨区域、跨企业、跨行业的研发设计资源被有效整合，通过关联设计和并行逻辑冲破专业、部门和厂所之间的壁垒，研发流程在整体上实现了从串行向并行的演进。

　　02

　　研发设计环节数字化转型典型案例

　　案例1：汽车轮毂的创成式设计与数字化仿真

　　创成式设计技术可用于汽车轮毂的个性化设计。轮毂设计既有标准化的部分，也有发挥创造力的部分，但无论造型如何变化，满足力学性能的同时兼顾节能、轻量化的设计目标不能改变。首先，轮辋的标准化可通过参照标准中提供的几何关系建立编程规则，实现轮辋参数化建模。然后，对轮辐进行创成式设计，通过定义几何关系来确定模型生成规则。假设定义一种这样的几何关系：轮辐为成组的分支结构，分支节点位于一系列同心圆上，层间可以扭转，分组数、分支层数、扭转角、同心圆半径分别为在一定范围内可变的参数。那么当改变任意参数时，就会生成不同的结果（如题图所示）。 

　　创成式设计还可用于汽车减重设计。如：根据轻量化目标，在保证零部件质量和强度的前提下，为轮毂加入镂空元素，这些蜂窝状结构可随轮辐形式和轮毂规格的变化自动生成。

　　轮毂的轻量化结构设计

　　创成式设计生成的方案再借助仿真手段实现选型。以2019年TCT大会上展出的两款创成式轮毂3D打印产品为例，通过CAE仿真分析揭示了轮毂结构的受力状况：方案1具蜂窝状结构，轮辐呈树状；方案2无蜂窝状结构，轮辐呈涡轮状。两种方案的线性静强度仿真分析结果为：在弯曲工况下，两方案都满足静强度要求，但方案1屈服安全系数更高；在径向工况下，两方案也都满足静强度要求，但方案2屈服安全系数更高。因此，通过仿真手段，能够快速了解不同方案的优缺点，对前期选型和后期制造具有极大的指导意义。

　　创成式轮毂3D打印样品（左图为方案1，右图为方案2）

　　案例小结：制造企业研发设计手段正从物理试验的“试错法”向数字化建模和仿真演变。这是实现个性化设计的廉价而高效的方法，也预示着：更轻、更强、能源消耗更低的下一代工业产品时代即将到来。实践证明，越早采用数字化建模和仿真，设计验证与优化作得越多，就越容易降低消除缺陷的成本、提高研发效率和产品质量。

　　案例2：橙色云OrangeCDS协同研发设计平台

　　总体来看，国内大多数制造企业的研发设计环节仍处于小、散、弱的阶段，数字化、网络化、智能化水平普遍较低。如何以创新模式让工业品设计变得更高效、优质、便捷？如何让研发设计人才与制造企业能相得益彰发展，充分实现价值？2016年，全球第一个工业产品协同研发设计平台——橙色云OrangeCDS上线。
 

　　目前，橙色云平台已覆盖工业制造、环保装备、智能生活装备、软件与信息化、特种装备等诸多领域，并不断将技术需求转化为专业、便捷、高品质的平台产品，持续提供工业产品设计和技术开发上的创新服务。通过发起“共创世界互联工业设计新时代Uni-Win战略”，汇聚全球30多个国家、超过24万名成员的智库资源，涉及1.5万+制造链、服务链、市场链等全球供应链，搭建起强大的“智力资源共享、全产业链协作”的开放体系。开发了“云”模式，“7X24小时”随时对接客户个性化、定制化需求，柔性、动态、高效地组建研发设计团队，用最贴近项目供需双方意愿的平台服务，为技术供需双方提供资源支持和服务保障。提供一套部署在云端的数字化协同环境，开展协同设计、众包众创。以网络界面模拟面对面的物理场景，搭载专业软件，使设计人员在全球任何地方轻松进入设计状态，满足跨地域的并行协作。此外，平台以各类专业的流程、约束和工具，实现规范的质量评审和项目管控，颠覆企业传统的层级式管理模式。

　　以橙色云平台2020年3月线上签约的智慧餐厅项目为例，客户打算在上海陆家嘴正大广场开设一家海洋主题的智能无人餐厅，但他们空有创意，却没有研发设计团队，为了使想法落地，并最大限度地节约时间与研发成本，他们找到了橙色云。接到需求后，平台资深顾问立即对需求进行可行性拆解，并在平台发布。凭借平台优秀的资源整合能力，很快就集结了一支专业研发团队，通过跨地域线上协作，并依据橙色云“工业产品数据银行”中沉淀的AGV、集群调度系统等技术，实现了无人智慧餐厅样机自主研发与成功验收。该项目直接为客户降低研发成本300%。目前餐厅已成功开业，还受到上海市领导的现场观摩。事实证明：借助网络化协同研发设计模式，创新效率会成倍提高。

　　案例小结：橙色云平台这种全新的网络化协同研发设计模式，超越了传统的组织边界，实现了众包设计，让越来越多的制造业细分行业技术展示得更透明、更开阔，使制造业融入全球开放式创新进程。它解决了制造业普遍存在的先进技术匮乏、研发设计成本高企、创新发展面临瓶颈、卓越人才缺失等问题。由此可见：研发设计模式的转型是推动产业升级的关键环节，也是转变人才价值实现的重要方式。未来，制造业的竞争已不再是单个企业间的竞争，而是更大范围协作团队间的竞争。