清华大学吴澄院士
1、我国制造业信息化
早在70年代，我国制造业就开始引入信息技术，到80年代开始了863计划，专门设立了CIMS主题，在全国范围开展制造业信息化的研究、开发和应用，每年有1-2千人全时投入。并且从党的十五大起，“信息化” 在每次大会报告中都有明确的表示，这对我国经济、社会发展都起到了重要的导向作用。具体表现为：
●“十五大”（1997）：改造和提高传统产业，发展新兴产业和高技术产业，推进国民经济信息化。
●“十六大”（2002）：以信息化带动工业化，以工业化促进信息化。信息化是我国加快实现工业化和现代化的必然选择。坚持以信息化带动工业化，以工业化促进信息化，走出一条科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染少、人力资源优势得到充分发挥的新型工业化路子。
●“十七大”（2007）：坚持走中国特色新型工业化道路，推进信息化与工业化融合。
●“十八大”（2012）：坚持走中国特色新型工业化、信息化、城镇化、农业现代化道路，推动信息化与工业化深度融合，工业化和城镇化良性互动，城镇化和农业现代化相互协调，促进工业化、信息化、城镇化、农业现代化同步发展。
谈到信息化，通俗地讲可理解为，信息化是培育发展信息产业、将信息技术应用于经济、社会、生活等各个方面的历史进程。
既然是一个进程，便有阶段。公认的是信息化经历了：数字化、网络化、智能化，当然它还在发展中。
数字化：计算机的广泛应用，把各种信息都用数字表示。数字地球、地图可以将地球（地图）高分辨率的表示。
网络化：通过网络实现信息的互联互通以至互操作。
智能化：对信息的进一步的智能处理（智能计算）以获得更好的结果（资源更节省、效果更好……。）智慧和智能，简单化的说，智慧更有人文的色彩，如指聪慧。而智能更多的是技术含义。智能指采用人工智能的理论、方法和技术，获得具有拟人智能的特性或功能。
“需求牵引、技术驱动”是产品开发成功的两个要点。下文主要是介绍数字技术、网络技术、智能技术在产品创新研发中的应用。
2、数字化技术驱动产品创新的标志性成果及其相关技术
提到数字化，不能不讲波音777，波音777是数据字技术驱动产品创新的标志性成果，数字化需求是90年代初，也是我们第一次访问波音的时候归纳总结的。在1995年，在了解了波音777的整个设计制造过程后，我们从信息化角度，首先是数字化定义（Digital definition），做到了无纸化，此处的无纸化并非节约了纸张，而是打通了整个信息流；然后是数字化预装配（Digital pre-assembly），即虚拟装配，原来需要做结构样机，现在直接在计算机上完成装配，而且一次成功，大大缩短了样机制做的时间；接下来是基于STEP的异构软件之间的数据交换，以及基于广域专用网的异地设计、制造（工作包方式24小时以内处理），管理上采用Teamwork，整个Teamwork有238个团队。因此，取得的效果也很明显：B757、B767从设计到商业运行用了9-10年，而B777仅用了4.5年。同时，“空客”在技术上也受到美国技术的影响，包括A380，虽然其相比B777信息化水平没有新的突破。同时，上述技术在很大程度上影响了我国，在航天、航空、汽车、机车车辆等应用，效益明显。借助于B777的经验，我们在网上通过并行工程、虚拟制造（DFX)等技术，包括可装配性的研究、可制造性的研究、CAE仿真分析等等，缩短产品开发时间40％。当前，这些技术（CAD/CAE、DFX、并行工程等）至今仍在发展，是重大应用离不开的技术。
图1 数字化技术
3、网络化技术驱动产品创新——互联、互通和互操作
●支持网络化产品开发的平台应该是联邦集成，所谓联邦集成是指：
●支持跨地域、行业的多种应用服务
●实现用户跨平台点播，自动导航，无同时登陆人数限制；无登陆人员地点限制；
●实现平台之间互惠互利的互联、互通和互操作的资源共享；
●原有联邦成员既能独立运行，又能集成运行，任何联邦成员的加入和退出都不影响其它联邦成员的运行。
●平台具有跨操作系统的能力：可以安装在Windows 2000/2003，Windows XP，Unix，Linux系统下，而且对于客户端也没有任何限制。
满足上述需求要有一个基础架构并解决一系列关键技术。基础架构包括：
●借鉴HLA联邦集成与GLOBUS的思想，提出了“联邦集成框架” （FIA—Federation Integration Architecture）
●FIA不是一个系统的实现，而是一种平台集成的框架体系标准，不仅要实现平台的互联、互通，更重要的是要实现网络化制造平台之间的互操作
●FIA主要由3部分组成：规则（rules)；对象模型模板（OMT）；联邦执行支撑环境（FEI Federation Executive Infrastructure）接口规范说明（interface specification）
●联邦执行支撑环境（FEI）作为 FIA 接口规范所规定服务的软件实现其功能类似于某种特殊目的的分布式操作系统，为联邦成员提供执行时所需的服务。
主要功能有6种，联邦管理、资源管理、搜索管理、计费管理、调度管理和安全管理。FEI接口规范主要是通过各个联邦成员节点来连接，如下图：
图2 FEI接口规范
涉及到的关键技术有：
●采用自适应的png格式图像压缩与解压缩，局部更新png格式，并进行三次样条插值的图像压缩与传输，交互式协同设计只需要1M带宽以下，达到实时同步；
●基于数据过滤机制的动态资源信息按需传输技术
采用声明管理和数据分发管理的思想，基于“匹配”机制
●分布式共享资源的服务调度技术
基于分类学对共享资源进行分类，将复杂的调度转换为根据调度策略中描述的约束，对搜索结果的进行分类
达到“尽可能的提供符合约束条件的调度结果”并“兼顾服务的响应时间”两者之间的平衡
●基于配置文件和广播搜索模式的跨平台联邦搜索技术
●网络化制造联邦集成平台的安全授信技术
保证本平台的数据不被越权的泄露、修改、利用、限制和破坏——采取口令字控制
防止本平台的用户资料被其他的平台获得——采取用统一身份标识代替用户访问
●分布共享资源动态监测和数据同步技术
采用“复制”同步技术来实现，确保分布在不同地点的数据自动同步更新，从而保证数据的一致性
●基于WTO模式的互激励集成计费管理技术
参照WTO（世界贸易组织）模式，建立联邦成员共同遵守的运营协议，以及联邦成员之间互利互惠的特定服务协议
下图是本平台与Pc anywhere、VNC、Terminal Service、NetMeeting的比较。
图3 网络化产品开发的平台与其他平台的比较
目前，基于网络化技术已得以应用，开发出了新一代医用心血管造影介入治疗系统以及高速公路清扫车，并且该技术在科技园区、孵化基地的数百家企业应用
4、产品创新设计中的多学科协同设计、仿真和优化MDO
产品创新设计中的协同化包括多学科协同设计、仿真和优化，所谓多学科仿真包括：协同优化平台功能、Nelder-Mead算法、混合进化算法DE-NMR。
协同优化平台功能：优化模型建立与分析、确定仿真优化环境、仿真优化和优化结果后处理。
Nelder-Mead算法：直接搜索算法（Direct Search Method）的一种。直接搜索算法在非线性优化中具有重要的位置，被广泛应用于工程设计、化学、管理等领域。
混合进化算法DE-NMR：结合了DE算法的全局收敛性以及Nelder-Mead算法改进算法的局部搜索速度，能在较短的时间内搜索到最优解。
网络化侧重于互联、互通、互操作，协同化强调优化技术，包括协同设计平台、协同仿真平台、协同优化平台。具体应用如高速轨道车辆，通过改变车厢悬挂系统一系、二系的弹簧刚度、阻尼器阻尼值等变量的值，进行多种工况下的仿真，得出不同工况下的舒适性指标、曲线通过性能、安全性指标（包括脱轨系数、减载率、轮轨横向力、轮轴横向力、倾覆系数）等。
5、智能设计、制造与智能工厂
智能设计的应用比较广泛，但系统的应用还没有。目前，我们在做一个课题，研究了关于智能设计与制造的背景以及智能设计、智能制造、智能管理。信息技术驱动，产品高端化的需求拉动，资源节约型、环境友好型社会的需求拉动，大批量定制——低成本、快速满足用户的个性化需求，化解劳动力成本上升的困境等是智能设计与制造产生的背景。智能设计包括数字化、知识化、模块化、协同化，智能制造包括透明化、集成化、极限化、绿色化，智能管理包括可视化、人性化、集成化。
从下图，可以泛在感知智能制造与智能工厂所涵盖的内容及所历经的阶段。
图4 智能制造与智能工厂
下文将列举一个工业创新的实例，德国德累斯顿不仅是响誉欧洲的文化名城，而且100多年来，萨克森的汽车设计和制造技术都在国际上占有领先地位。如今，在萨克森有四个知名的德国汽车制造商设有生产基地：大众汽车、保时捷、宝马和尼奥普兰，另外还有500多家配件供应商在萨克森开设了工厂，员工超过70000人。目前，汽车制造业大约占萨克森州工业销售产值的20%，占出口产值达32%，成为萨克森州加工业的支柱产业。
为什么德累斯顿既能成为文化名城又是工业中心了？因为他们有“玻璃工厂”，大众汽车公司将一个完整的环境方案纳入整体规划，包括灯光照明布置、气候和通风系统、保护敏感的动植物以及保持城市生活质量等多个方面。所以，在大楼建造的时候就注重结构深度尽量浅，以确保足够的渗水面积，保持地下水的平衡。面积50000平方米的室外区域，设计为绿化面积和水面。大楼四周，使用扩音器播放多种鸟类鸣叫的声音，使鸟儿远离玻璃幕墙，室外区域内安装了特制的钠气灯，黄色系的灯光不会惊扰邻近植物园内的昆虫。德累斯顿市中心用玻璃建造一家高度现代化的汽车生产厂，将技术与文化、现代化的生产和体验紧密联系了起来。建筑设计师君特•赫恩教授（Prof.Dr. Gunter Henn）认为：工厂的玻璃幕墙吸取了德累斯顿的历史和建筑的成就，使相邻的居住区域和花园美景自然地结合在一起。如今，透明工厂已经成为所在城市、市民生活和文化活动的重要组成部分。成功地使“工业回归市中心”。
“玻璃工厂”带动智能交通与物流技术发展，也带动智能电网与能源技术发展及智能城市文化发展。如果说B777是数字化技术驱动产品创新的标志性成果，那么玻璃工厂是又一个关于创新设计、制造的标志性进展。如果说B777是人类征服自然的一次重要创新，那么玻璃工厂则是人与自然和谐共处的伟大创举。
图5 玻璃工厂
6、结束语
通过波音777和玻璃工厂两个工业创新的例子给我们的启发是：不仅人类征服自然要创新，人类与环境和谐共处也需要创新。创新不可缺少。
工业化仍然是我国经济发展的主旋律，制造业是工业化的核心内容，信息化是关系到工业化转型升级、提升GDP质量、提高人民生活水平影响全局的关键因素。我国未来对制造业信息化的需求将是持续的、迫切的。
产品创新设计开发的4个方面：数字化、网络化、协同化和智能化对于企业的发展具有重要作用，但如何应用取决于问题的类型、需求。
国产工业软件，仍然处于弱势（特别是高端工业软件）。虽然短期内不易突破，但希望有所进步。
本文根据清华大学吴澄院士在“2012中国制造业产品创新数字化国际峰会”上的发言录音整理，未经本人确认！
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本文标题：清华大学吴澄院士《信息技术驱动产品创新》
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