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数字化——从三体智能革命说起
2016-12-26   作者:宁振波
      
    
      走向智能论坛核心专家、《三体智能革命》编委、全国3D大赛技术专家委员会轮值主席,中航工业信息技术中心首席顾问宁振波教授在第九届全国3D大赛暨3D大会上做主旨报告
   
      2016年9月,一本名为《三体智能革命》的新著作所提出的“三体智能模型”,引起了业界的关注。所谓“三体智能模型”,指的是物理实体、意识人体、数字虚体之间的三体联接、三体融合,被称作是科技和产业走向智能的核心原理。
    
      在12月11日举办的“3D动力杯”第九届全国3D大赛暨3D大会上,《三体智能革命》作者之一、全国3D大赛技术专家委员会轮值主席,中航工业集团信息技术中心首席顾问宁振波所作的主旨报告为大赛现场带来了一场数字化风暴。
     
      下为报告整理全文:
   
      数字化是从1991年的波音777开始的。波音777取得了两个巨大的进步:第一个进步是研制周期,它和传统的飞机研制相比,仅用了四年半时间就把飞机送上天。而波音767花了12年的时间。
   
      第二个进步在于,1970年,波音747首飞;1994年6月,波音777首飞。而它(波音777)造出的第一架飞机,就比造了24年的第400架波音747质量还要好,这是为什么呢?因为它采用了全数字化的设计技术。
   
      让我们来看这组数据,波音777用了八台大型IBM计算机,用了3200套工作站用于搞三维的零件设计和装配设计,用了2万台计算机、PC机、800个相互不关联的软件,形成了14个相互不关联的物料表。这时他们发现了一些问题。
   
      发现的是什么问题呢?第一,由于采用了那么多台计算机设计飞机,几万人每天在计算机上的工作生成了天量的数据。在此之前,我们的设计是图纸、工艺文字材料、纸质材料,从波音777开始,全都是数字化的,因此形成了每天的天量数据。以前波音飞机的设计中,所有计算机的文件管理都是典型的树状架构的文件管理系统,而复杂的产品是立体形状的网状架构。由于数据管理能力不足,出现了很多问题。波音公司因此启动了一个大的项目DCAC·MRM (简单地说就是PDM的深入应用项目),花了十年时间,投资十亿美金,才完成了整个飞机产品的三维构形定义和制造资源的管理。
   
      第二,基于当时的三维设计软件,波音777当时在三维模型上表达不了工艺、制造和检测的信息。最后产品设计、工艺设计的三维设计完之后,在用于制造的时候,不得不生成了二维图纸,工作量极大,很容易出错。1996年,波音公司与世界16家知名企业合作,推动美国机械工程师协会,花了7年时间,形成了ASME Y14.41标准(数字化产品定义数据实施规程)。简单地说,这个标准就是MBD(基于模型的定义)标准,再简单理解,就是在三维模型上可以表达工艺、制造和检测的所有数据。这么一来,就使得我们在制造产品过程中,取消蓝图、取消工艺卡片成为可能。
    
      中国航空工业集团公司在2010年之后,研制的所有新型飞机已经取消了蓝图和工艺卡片。它不是一项革命吗?从蓝图到三维模型就是一项革命。所以,全国3D大赛组委会干了一件功德无量的事情,为中国制造业培养了大量的可用人才。我们讲新工业革命的本质,就是智能制造,核心是赛博物理系统(CPS)。我们讲的“三体智能革命”、CPS,智能制造的核心是智能,智能是本源,CPS是它的实现形式。我想讲的是人造智能,它是一种模仿扩展和超越人类智能的能力。它有认知,会分析,自决策,运用知识,学习积累乃至创造知识的能力。
    
     
   
      三体智能模型
   
      实际上,中航工业通过多年的努力,集体智慧形成了16个字的智能制造特征。最后我们《三体智能革命》副主编赵敏教授又加了个学习提升,我们叫“状态感知、实时分析、自主决策、精准执行,学习提升的循环迭代的智能系统”。
   
      实际上,CPS的核心就是解决设备和物料的互联互通,用赛博来控制实体,实体的状态反馈给赛博。
   
      在这里,我要简单描述一下,CPS是一个非常大的系统,比如说讲到人类社会,虚拟经济、银行、证券、股票、保险是赛博,我们的实体经济是物理的。我们有社会经济,虚拟经济太强了,就容易形成泡沫经济,仅有虚拟经济是有问题的。实体经济过于庞大,虚拟经济很少也不行,需要虚实相得益彰。
   
      拿我们人体做模型来比较,人的大脑和思想是赛博、是虚拟的;人的身体和人的行为是物理的,虚拟控制实体。产品研制过程也是一样,赛博控制物理实体,物理实体反馈给赛博。我想讲的一个概念是40亿到400亿。现在据粗略的统计,全球上网的人数为40亿,据几大媒体预测。到2020年,我们的物料、设备会接入网,我们所说的工业互联网,或者叫物联网,有至少400亿联网终端的数量。难以想象,当400亿的设备、物料连入网时,我们的系统会是什么系统。
    
      我想来讲一讲“三体智能革命”的演化路径。首先,世界是一个物理实体,按照达尔文的进化论,从物理实体演化出了动物,动物的高级形态就是人体。人是有智能的、有意识的,物理实体演化出了意识人体。人有意识、有智能,创造出了智能的工具,比如说创造了计算机,创造了CAD软件。有意识的人体把物理实体建成数学模型,建成了数字虚体,这个数字虚体既可以指导我们产品的生产,也可以变成一个嵌入式系统,把数字虚体嵌入到物理实体中,这样物理实体就有智能了。如此看来,数字化的核心是建模,在工程领域建模,就是全国3D大赛要解决的问题,核心是把物理实体在数字虚体中呈现。智能的人类用智能的工具,用数字建模的方法,就可以建成数字虚体。
    
      我们来看,实际上人类的思维方式本来是三维,由于没有办法表达,第一次工业革命才出现了二维制图标准。现在我们已经有三维的直接表达,为什么还用二维图呢?数字化技术支撑着虚拟硬件,从产品的定义、分析、优化、验证。这就是说,数字化难点在模型,焦点是仿真。我说这个模型好用不好用,需要通过大量分析计算的验证。我们为什么叫仿真呢?关键在于模型的精度和实体逼近,如果差异超出设计范围,就成了造假了。
          
      传统制造业的三大技术:设计技术、制造技术和实验技术。在新工业体系下应该是什么体系呢?首先,在赛博空间中完成产品的设计、工艺、装配、制造,最后形成一个完整的产品,在虚拟的试验环境中来做产品的实验验证。赛博空间中解决完所有问题之后,映射到实物生产线中,再映射到实验过程中。这就是新工业革命的管理体系,核心就是赛博。
    
      再来看中国的工业软件。什么是工业软件:是人的工业知识和经验的积累和结晶。现在几乎所有的工业软件被国外一统天下。我举三个例子,2005年,西门子决策用35亿美金并购了年利润才1亿多美金的UGS公司,2016年11月份,西门子公司花了45亿美金购买了搞电子设计、电路仿真的Mentor Graphics公司,它有很多集成电路库和元器件计算库,可以做仿真制造实物的样机模型,这样一来,机电一体化设计就成为现实。第三例子是制造航空发动机的罗罗公司,从1997年开始,有些航空公司不再购买发动机而是购买该公司的航空发动机飞行小时服务,达到双赢。罗罗公司收入结构根本性变化的2015年,服务收入(Services Revenue, 52%) 超过了发动机销售收入(OE Revenue, 48%) ,且继续保持增长(增速9%),销售收入持续下降(降了6%)。
    
      在这里我想说的是,智能制造有一个重要的概念,就是生产型企业向生产服务型的转移。在此当中,产品智能化是转移的必备条件。

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