增材製造不僅是一種新工藝手段, 更是新一輪產業革命中改變人類生產和生活方式的重要引擎和顛覆性技術體系. 其顛覆性不僅體現在製造和服務端, 更體現在設計端. 其背後的增材思維將帶來一場釋放自由度和激發創造力的設計革命. 這場革命針對的不僅是產品研製人員, 更是廣泛大眾. 基於正向設計和增材製造的高端研發與先進位造整體解決方案回歸工業化的本質, 重塑設計與製造的關係, 將成為實體經濟跨越發展和製造業轉型升級難得的機會窗口.
2015年下半年安世亞太公司發布工業再設計戰略和正向設計諮詢體系, 兩年多來筆者及同仁撰寫了系列文章[1-6]嘗試對工業再設計和正向設計的外部需求, 內涵外延和方法流程進行闡述. 伴隨著技術發展, 市場認知和客戶實踐的深入, 我們的認識也不斷深化. 作為階段性成果, 本文對相關概念的來龍去脈和由此形成的基於正向設計和增材製造的高端研發與先進位造整體解決方案 (以下簡稱整體解決方案) 的理論架構和方法工具做一系統梳理, 請大家指正.
1 業務需求分析 (Why)
安世亞太公司通過總結提煉中國工業化進程中的各行業複雜產品研發實踐經驗, 分析得出中國製造業轉型升級的內部困難, (兩大) 核心問題和 (六條) 根本原因 (圖1) [3], 並得到兩點認識:
• 新一輪科技革命產業革命下的創新商業模式是製造業成功轉型升級和提升企業自主創新能力的有力保障;
• 站在系統工程角度重新認識設計與製造的關係是製造業轉型升級和現階段工業化補課的切入點和突破口.
圖1 中國製造業轉型升級的問題空間分析[3]
在《為什麼工業再設計是現階段的突破口? ——試論製造業轉型升級的路徑選擇》一文[2]中, 筆者從技術經濟學和創新動力學[7]的角度出發, 認同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, 其基本戰略就是儘快擺脫山寨經濟, 循序漸進地向日, 美, 歐學習產品創新, 技術創新和科學創新, 使中國再次並且長期領先世界; 三階段的劃分在時間上不是絕對的前後關係, 而是三階段同時進行, 但國家制定的發展戰略, 應在不同時期發展的重點有所不同而側重於某一個階段, 以保證資源的最佳使用. 同樣應用技術經濟學和創新動力學的原理, 筆者認為, 工業化和資訊化是綱與目的關係 (圖2) , 工業化是資訊化的根基源泉前提和基礎, 是比資訊化更大的系統工程, 相比資訊化更是短板, 在相當長的曆史時期內都具有升級空間; 現階段推進兩化深度融合的主要矛盾是工業化落後於資訊化的發展; 矛盾的主要方面是針對工業化的具體問題和需求, 如何利用資訊化的方法手段工具去促進升級, 而不是盲目追求資訊化自身的跨越式發展[2].
圖2 從現代TRIZ理論的提高系統完備性趨勢看待工業化與資訊化以及實體經濟與非實體經濟之間綱與目的關係[8]
圖2將TRIZ理論的技術系統完備性模型分為資訊層面和非資訊的物理對象事物層面. 這一划分恰好與專利法中發明專利對方法和裝置的劃分相對應. 而且, 筆者認為, 鐘義信教授給出的資訊的兩個定義 (某個事物的本體論資訊, 就是這個事物關於自身運動狀態及其變化方式的自我表述; 某個主體關於某個事物的認識論資訊, 就是這個主體關於該事物的運動狀態及其變化方式的形式, 含義和價值的表述) 從另一側面說明了資訊對非資訊的物理對象的從屬關係.
站在製造業轉型升級的全局宏觀角度, 用經濟學方法 (如邊際效用和比較優勢原理) 分析可以得出, 現階段大機率成功的商業模式應該落腳在產品的工業化創新. 一個現實的例子是, 經過二十多年的努力, 國產工業軟體的商業成功乏善可陳, 工業產品研發創新所需的各種軟體工具和平台 (CAx/PDM/ERP等) 的市場絕大部分為國外軟體巨頭把持, 而且短期內看不到改變這一現狀的趨勢和內在動因; 而在工業品研發應用領域, 已有個別行業的複雜產品, 裝備和重大工程, 我國已逐步趕超國外處於世界領先地位.
要想實現製造業整體轉型升級和工業體系的全面趕超, 不可能再依靠勞動力成本的比較優勢構成的 '第一種機會窗口' , 而只能靠處於醞釀階段的新技術革命所提供的 '第二種機會窗口' (圖3) . 這時, 雖然新技術體系的大量突破最初出現在發達國家, 但由於其技術體系處於早期階段, 技術成熟度和科技知識意會程度較低, 如果後發國家能以創新商業模式和關鍵點上的核心技術突破在這個階段快速進入新技術體系, 同時在傳統產業領域面對的是發達國家已經打通了的確定技術路線, 進而節約大量試錯成本, 後發國家將有可能和發達國家站在同一起跑線; 而發達國家有可能受困於舊技術體系範式的鎖定效應, 某些新興後發國家由於沒有沉沒成本和技術鎖定的路徑依賴, 有可能比發達國家更適應新技術經濟範式的要求, 甚至取代先行者的技術和制度領導地位, 從而實現跨越式發展. 這也是所謂換道超車的題中之義. 對於後發國家, 在新技術革命提供的 '第二種機會窗口' 期, 不僅要致力於傳統產業的補課, 而且要努力實現在新興產業的趕超.
圖3 製造業轉型升級的機會窗口[9]
什麼樣的創新商業模式才能滿足 '第二種機會窗口' 下成功進行換道超車的要求? 首先, 轉型升級的關鍵在於價值創新, 為整個產業鏈賦予新的價值, 沒有價值創新, 就沒有可持續發展的商業模式, 轉型只能淪為轉行. 其次, 要有全球化的視野. 清華大學魏傑教授2017年初提出, 第三次全球化是技術, 市場, 資金, 勞動力這些價值資源的全球配置 (第一次全球化是領土的全球開發, 第二次是全球貿易) . 那麼, 新一輪科技革命產業革命下的創新商業模式也必須是基於技術, 市場, 資金, 人才, 政府這些價值資源進行全局優化配置的商業模式, 新一輪科技革命產業革命下轉型升級主體的製造業企業也必須採用基於可重構的設計製造一體化的積木式的系統級或體系級整合創新的商業模式 (圖4) .
圖4 第三次全球化浪潮下製造業企業基於設計製造一體化的可重構商業模式[10]
明晰對創新商業模式的要求後, 如何選擇切入點和突破口就成為製造業轉型升級的關鍵問題. 這一切入點和突破口應滿足如下原則和條件[2]:
• 回歸工業化 (更確切地說是產業化) 的本質: 為了人類文明的可持續發展, 通過持續採用新技術和追求高效專業化組織, 不斷提升以設計和製造活動為核心的物質生產的理想度水平 (理想度這一概念的解釋參見2.1.2節) .
• 主體性: 真正讓企業成為創新主體和經濟舞台主角;
• 目的性: 直面工業化需要補課, 補短板的現實需求, 提升那些無法逾越替代的工業化能力;
• 系統性: 從工業化本質出發進行目標分解, 站在系統全局的高度重新認識設計與製造的關係:
- 從系統工程角度把握整個產品設計, 工藝設計和製造過程, 分析結構與材料的關係, 積極構建綠色製造體系, 破解綠色發展問題;
- 配合現階段產品創新的需求, 助力產品質量問題的解決, 加快提升產品質量;
• 可持續性: 第一步小步的改進和收益給企業帶來正反饋, 使研發體系建設和核心競爭力培育進入滾雪球式發展的良性迴圈, 從現有產品改進創新入手補工業化的短板, 既獲得知其然知其所以然的知識, 又獲得企業持續發展的經濟實力和市場份額, 然後激活研產學的技術創新, 進而到學研產的科學創新, 走上符合科學發展觀的可持續發展路徑;
• 可行性: 不是需要大量科研和研發投入的原始創新, 不是為了把科研投入變成論文和獲獎, 而是為了把通過邁小步改進而實現工業化補課得到的知識變成企業效益, 讓作為創新主體的企業快速得到收益;
圖5 中國製造業轉型升級的解空間分析
基於上述分析, 為應對中國經濟轉型升級過程中對自主創新的強烈需求, 並為《中國製造2025》中的設計製造一體化提供可落地實施的解決方案, 在為《中國製造2025》中的研發設計提供精益研發解決方案的基礎上, 安世亞太公司正本清源, 提出了基於正向設計和增材製造的高端研發與先進位造整體解決方案 (圖5) .
2 術語定義 (What)
作為在產品設計方法學和PLM領域內極少見的不來源於西方發達國家, 沒有直接對應的英文術語, 而具有鮮明中國特色, 來源於中國製造業轉型升級和研發實踐的兩個術語, 兩年來, 隨著相關技術成熟度的提升, 市場認知和客戶實踐的深入, '正向設計' 和 '工業再設計' 的定義經過細微的變動演化, 目前已達到相對成熟穩定的狀態, 最新版定義如下.
【正向設計 (systematic forward design; forward design solution system based on systems engineering methodologies) 】
為迎接新一輪科技革命和產業革命帶來的機遇並應對製造業轉型升級的挑戰, 以系統工程的理論方法和過程模型為框架, 以增材思維為代表的新技術體係為抓手, 面向人工物理系統的改進設計, 原創設計和技術研發等場景, 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, 不以仿製抄襲山寨為手段和目的, 來提升人工物理系統的設計製造一體化能力, 企業自主創新能力乃至企業和社會可持續發展能力的設計活動, 設計方法和解決方案諮詢體系.
【正向設計的簡版定義】
以系統工程為框架, 以增材思維和技術為抓手, 面向人工物理系統的改進設計, 原創設計和技術研發, 來提升人工物理系統的設計製造一體化能力, 企業自主創新能力乃至企業和社會可持續發展能力的設計活動, 方法和解決方案諮詢體系.
【工業再設計 (redesign for industrial products) 】
正向設計的業務場景之一. 對於處於成熟期 (技術系統進化S曲線的第三階段) 的人工物理系統, 不改變功能用途, 站在系統的高度重新審視需求, 按照價值, 功能和能量的觀點, 以效法自然的方式, 利用計算機輔助創新, 模擬優化, 增材製造, 等材製造等突破性新技術, 新工藝, 新材料重新設計整個系統的產品設計, 工藝設計, 材料設計和製造過程, 實現重新設計後的人工物理系統的功能, 結構和材料在全生命期內的最佳組合, 使得該類人工物理系統沿S曲線的進化更接近自然賦予的極限.
2.1 內涵
為什麼要在 '正向設計' 的定義中對逆向設計採取兼收並蓄的包容態度, 正向設計和逆向設計是什麼關係? 為什麼在 '正向設計' 的定義中要強調 '以系統工程為框架' , '以增材思維為代表的新技術體係為抓手' ? 為什麼在 '工業再設計' 的定義中要提 '價值, 功能和能量的觀點' 和 '效法自然的方式' ? 讓我們回歸事情的本源和本質, 用系統和系統進化的觀點來思考 '正向設計' 和 '工業再設計' 的內涵.
2.1.1 正向設計與逆向設計
回顧中國工業化進程中, 複雜產品和裝備的研發模式從測繪仿製, 到改進改型, 再到自主研發由低端向高端演化的曆程, 可以看出每個曆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, 只不過各時期正向設計和逆向設計所佔比重不同, 逐步地由逆向設計佔主導轉變為正向設計佔主導, 而且伴隨這一過程, 逆向設計和正向設計的能力成熟度水平也不斷提升. 先看一下逆向設計能力成熟度水平的提升過程[3].
基於 '原准法' 的測繪仿製是典型的逆向設計活動. 特別是在早期裝備的測繪仿製過程中, 存在大量的相對低水平的逆向設計活動 (如圖6紅色箭頭所示) , 即僅由實物反推到圖紙, 反推到設計, 而無需反求到原始需求. 在經濟日益全球化, 市場化的今天, 測繪仿製已不可行, 且沒必要. 對於後發工業化國家來說, 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, 是複雜工業品研發模式演化必不可少, 不可逾越的曆史發展階段, 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6不同成熟度水平的逆向設計在系統工程實體V模型中的體現[3]
對於從國外花錢買產品圖紙和專利技術等智慧財產權的引進消化吸收, 需要具體情況具體分析. 對於只引進, 沒有或很少花精力消化吸收, 相當於省卻了 '原准法' 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, 這隻是沒走完正向設計的全過程全內容的, 低水平的正向設計. 對於注重引進之後的消化吸收, 由於和逃避技術風險的 '原准法' 目的不同, 這裡一定包含了反推到需求的高水平的逆向設計活動 (如圖6綠色箭頭所示) .
圖7 以逆向設計為主線的現有技術分析示意流程[3]
對於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, 是否包括了研發最前端的市場需求和業務需求開發和分析. 所以, 現有技術分析 (參見圖7泳道圖給出的示例流程) 包含了比引進消化吸收更高水平的逆向設計活動 (如圖6黃色箭頭所示) , 而且是在自主研發創新模式正向設計框架下的逆向設計.
由於系統工程是保證把複雜的事情做對, 做好, 做快的一套方法論, 所以, 對系統工程框架的依賴程度或者說對系統工程過程的符合程度, 不但是衡量逆向設計能力成熟度的重要指標, 更是衡量正向設計能力成熟度的重要指標. 正向設計能力建設是一個長期, 動態, 系統的學習和實踐的積累過程, 兼收並蓄, 綱舉目張, 以系統工程為框架, 以設計製造一體化為方向, 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產品和工藝正向設計, 最後到基於系統工程框架的, 實現了 (產品, 材料, 工藝) 設計製造一體化的, 整個產品系統全生命期的正向設計, 最終完成由低端走向高端的正向設計能力成熟度提升全過程.
2.1.2 正向設計與增材製造
增材製造是指基於類似數學微積分的離散-堆積原理, 由零件三維數據驅動和計算機自動控制實現精確可控的, 逐層增加材料直接製造零件的數字製造技術. 相比減材和等材製造, 增材製造無模具, 無工裝, 但它絕不僅僅是一種新的製造加工工藝方法, 而是新一輪科技革命和產業革命中將會改變人類生產方式和生活方式的重要引擎和顛覆性技術體系. 這種顛覆性體現在, 除了這種新的製造工藝帶來的, 可在一台設備上快速精密製造出任意複雜形狀的零件, 大幅度減少零件數目和加工工序, 縮短加工周期, 節省原材料, 降低能耗等眾多好處外, 更重要的是, 它實現了結構設計, 高性能材料製備, 複雜構件製造的一體化, 並為宏觀上的結構設計和微觀上的材料製備帶來革命性的變化: [11-15]
• 增材製造技術背後的增材思維是一場設計的革命, 它完全開啟了設計枷鎖, DFM (製造) , DFA (裝配) 等基於減材製造的傳統設計方法少有用武之地, 設計人員可以真正回歸用戶需求, 進行面向功能的設計 (DFF) 或面向增材製造的設計 (DFAM) , 按照價值, 功能和能量的觀點, 使設計與工藝, 設計與製造之間不再是因果與順序關係而是互為激勵的活系統, 以效法自然的方式實現大型/超大型構件或結構系統, 複雜/超複雜構件或結構系統, 多品種小批量個性化產品的低成本創新設計和快速製造, 乃至創造超常結構實現超常功能.
• 傳統製造工藝的焊接, 熱處理, 及鍍, 噴, 塗, 氧化, 化合, 硬化等表面處理是用宏觀粗放的手段實現微觀材料特性的調整和變性. 而增材製造是以精微材料為起點, 以數字化控製為手段, 創造性地實現了在零件製造過程的同時在製備材料 (乃至將不同材料創造性地複合在一起, 甚至合成出新材料) , 製備材料的同時在製造零件. 即將傳統上材料選擇製備和工藝加工的串列過程轉變為成性和成形的並行過程, 從宏觀轉向微觀, 實現結構力學與材料力學組合突破, 提升對產品本身性能, 對材料組織結構和性能以及製造過程更為精密, 精確的控制能力, 實現高性能新材料數字化製備能力, 特別是高性能非平衡材料, 高活性難熔難加工材料, 高性能梯度材料的製備, 以及高性能材料多尺度複合製備和新材料/超材料製備.
• 可以預見, 隨著3D列印技術規模產業化, 傳統的工藝流程, 生產線, 工廠模式, 產業鏈組合都將面臨深度調整. 按工業門類和產品種類劃分由專業化工廠組織工業品生產製造的壁壘將逐步消失, 進而開啟端到端 (客戶需求端到滿足客戶需求端) 的時代: 備品備件庫將逐步取消, 現場製造與修複等等高效維修保障模式將成為主流, 武器裝備的艦載式或戰場移動雷射成形與修複系統, 乃至太空製造正在逐步登上舞台; 基於工業雲, 物聯網, 虛擬現實等技術的分布式製造, 泛在製造, 社會製造等近乎零邊際成本的生產模式將成為現實.
• 最後, 作為製造技術大家庭的一名新成員, 增材製造雖然是一種變革性的新技術, 發展潛力巨大, 但它仍然要與傳統製造技術相互補充, 而不會顛覆取代傳統製造技術. 人工物理系統的製造技術體系將迎來增材, 等材, 減材唇齒相依, 工藝融合的新時代.
讓我們從TRIZ理論技術系統進化趨勢的視角審視以增材思維為代表的增材製造, 仿生製造和微納製造等先進位造技術對傳統設計方法學和製造技術的顛覆性及其對新一輪科技革命和產業革命的推動作用.
根據TRIZ理論, 技術系統 (即人工物理系統) 的進化遵循客觀規律 (圖8) , 並以提高自身的理想度 (即用儘可能少的資源實現儘可能多的有用功能) 為進化目標, 技術系統在進化過程中由於系統內部各個子系統進化的不一致性會產生矛盾, 需要人們利用現有資源不折中地解決矛盾, 實現技術系統由結構簡單-功能簡單, 到結構複雜-功能複雜, 再到結構簡單-功能複雜的不斷螺旋式上升的發展進化 (圖9) [16].
圖8 現代TRIZ理論中技術系統進化趨勢的結構[17]
圖9 TRIZ理論的技術系統進化趨勢在技術系統由簡單結構功能, 到複雜結構功能, 再到簡單結構-複雜功能的螺旋式上升式進化中的應用[16]
為了實現提高理想度這一技術系統進化的終極目標, 人們通常會根據理想度的公式 (理想度=有用功能之和/ (有害作用之和+成本) ) , 而採用不排除按常規折中的價值工程方法, 諸如提高性能的同時降低成本等等; 但TRIZ理論恰恰相反, TRIZ用毫不折中的 '理想化最終結果 (Ideal Final Result, 簡稱IFR, 意指不用任何物質和能量資源, 沒有任何成本地實現所需功能) ' 這一用來打破思維定勢的概念, 鼓勵人們永無止境地去追求技術系統無窮大的理想度. TRIZ之父阿奇舒勒說: '理想化最終結果是所有可思議及不可思議的解中最好的, 它彷彿是不存在的第六級水平的發明, 它似乎是虛擬的, 幻想的, 奇異的' , 但人類科技發展史卻不斷將這些科幻小說式的奇異幻想變成現實.
目前階段增材製造技術體系在研發應用中遇到的困難和挑戰都將在技術系統進化中 (如向超系統進化尋求工藝融合, 向微觀進化尋求理想物質) 得到解決.
接下來讓我們用追求理想化最終結果, 提高理技術系統理想度的進化思維來思考設計, 製造和工業化的內涵和本質.
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, 是創造一種理想度更高的人類生存方式 (包括生產, 生活和交流方式) , 設計的最終目的是人, 自然和社會這一複雜巨系統的可持續發展和進化 (圖10) .
圖10 從人, 自然與社會三者間相互關係看待設計[1]
狹義的製造是指通過人力, 工具, 機器, 化學, 配方或生物等方法將設計的結果進行製作或生產出滿足需求的人工物理系統, 特別是將原材料批量地轉化為產品. 廣義的製造有時還包括前端的設計. 但實際上, 從兩者的定義可以看出, 設計的內涵更豐富, 它不僅對接人工物理系統的製造, 而且還包括了人工抽象系統的設計.
工業化 (產業化) 則是為了人類文明的可持續發展, 通過持續採用新技術和追求高效專業化組織, 不斷提升以設計和製造活動為核心的物質生產的水平.
所以, 不斷提高理想度的設計製造一體化是工業化 (產業化) 邁向理想化最終結果的必由之路, 即從人類社會早期相當長時間的手工作坊式的低水平的設計製造 '一體化' (設計沒有成為獨立的技術或科學子系統, 而只是製造過程的一部分) , 到分別開始於18世紀末第一次工業革命英國和19世紀末第二次工業革命德國美國的製造子系統和設計子系統之間的不均衡發展階段, 再到發端於20世紀中葉直至今天的從傳統系統工程到現代系統工程 (即基於模型的系統工程) 對產品和系統全生命期管理在資訊化層面的改造和提升[18], 然後到目前我們在工業化層面從宏觀流程到微觀機理徹底打通設計和製造間的禁錮壁壘和藩籬, 最終邁向設計製造完全融合的更高級階段. 傑裡米•裡夫金在《零邊際成本社會》一書中闡述了物聯網和增材製造等技術對人類社會的顛覆性影響, 為這一理想度不斷提高的工業化曆史進程描繪了令人憧憬的協同共用時代的未來畫面.
對於設計技術子系統的發展進化, 可以參照上文闡述的正向設計能力成熟度提升過程, 其核心是產品, 材料和工藝的一體化設計.
對於製造技術子系統的發展進化, 從人類早期石器時代的原始減材製造, 到青銅和鐵器時代的原始等材製造, 再到近代發端於兩次工業革命開始的現代減材製造和等材製造並行發展的時期, 然後到本世紀初開始進入工業應用的增材製造時期, 進而邁向以增材思維實現設計與製造融合并且增材, 等材, 減材, 微納, 仿生等製造唇齒相依工藝融合的新時代 (圖11) .
圖11 人類生產模式和製造技術的螺旋上升式發展[10]
鑒於工業化 (產業化) -﹥製造業轉型升級-﹥設計製造一體化-﹥正向設計-﹥增材思維和增材製造之間的目的手段關係, 即 '設計製造一體化' 完全應和了工業化 (產業化) 的本質, 基於增材思維的增材製造技術體系代表了人工物理系統由低級向高級的進化方向. 所以, 我們在 '正向設計' 的定義中強調 '以增材思維和增材技術為抓手' , 強調增材思維和技術是提升設計製造一體化能力的抓手, 並將 '提升人工物理系統的設計製造一體化能力' 作為正向設計能力建設的三大目標之一.
2.1.3 工業再設計及工業再製造
作為正向設計的業務場景之一, 工業再設計的定義中給出了具體的技術手段—— '按照價值, 功能和能量的觀點' , '以效法自然的方式' 和 '利用計算機輔助創新, 模擬優化, 增材製造, 等材製造等突破性新技術, 新工藝, 新材料重新設計......' .
價值的觀點, 核心理念是TRIZ理論技術系統進化趨勢之首的提高理想度趨勢, 方法工具包括TRIZ理論技術系統進化趨勢體系, 價值工程以及TRL, MRL, IRL, SRL等各種成熟度評價方法.
功能的觀點, 是工程實踐的基本觀點, 處於人工物理系統本體模型的核心地位 (圖12) . 它不但是TRIZ理論和德語學派設計方法學所強調的觀點, 是系統分析, 物理效應知識庫和技術創新解決方案知識庫的基石, 也是世界各國公認的發明專利制度中專利分類, 專利申請中的權利要求保護範圍策劃, 專利審查的創造性判斷, 專利糾紛中等同侵權判斷等共同採用的技術觀點. 與功能觀點相對的是, 產品結構的觀點, 領域或行業的觀點. 功能觀點的優勢在於, 打破行業, 學科領域和產品門類的思維定勢和壁壘, 實現他山之石可以攻玉. 在我們的整體解決方案中, 功能的觀點也是基石之一, 面向產品, 材料和工藝一體化設計的功能本體模型如圖13所示.
圖12人工物理系統的本體模型 (部分) [19]
圖13 功能的本體模型[19]
能量的觀點, 核心理念是面向可持續發展的目標, 應和生態設計和綠色製造的要求, 提升人工物理系統中能量流的品質, 方法工具包括TRIZ理論技術系統進化趨勢中的流增強趨勢和能量傳遞趨勢, 以及㶲分析等.
效法自然的方式, 是指道法自然, 向生物學習, 向自然界學習, 利用新穎的受生物啟發而來的合成策略和源於自然的仿生原理來設計超常結構, 合成有機, 無機, 有機-無機雜化結構材料和功能材料 (圖14, 圖15) . 正如TRIZ理論的物理效應知識庫和技術創新解決方案知識庫是對人類工程實踐的科學總結; 自古以來, 自然界同樣也是人類各種技術思想, 工程原理及重大發明的源泉. 大自然是人類偉大的老師, 向自然學習是高水平的逆向設計 (圖6) +正向設計, 在這裡, 逆向設計 (效法自然) 同樣只是手段, 正向設計是目的.
圖14 效法自然的仿生設計和製造[20]
圖15 骨骼和竹子從宏觀到微觀的結構[21]
工業再設計定義中給出的這些技術手段同樣適用於正向設計.
如果說智能製造是兩化融合的主攻方向, 綜合整合是企業資訊化建設的主要內容, 是兩化融合的難點重點和突破點, 那麼可以說正向設計是製造業轉型升級的主攻方向, 是實現《中國製造2025》三步規劃所需要找到, 設計, 踐行的適合未來長期可持續發展的最長一塊板, 是企業核心競爭力建設的主要內容, 而工業再設計則是針對當前最薄弱短板的應急性行動, 是現階段工業化補課的突破口, 也是兩化融合針對生態設計和綠色製造的另一突破口. [2]
2017年11月初, 工信部印發《高端智能再製造行動計劃 (2018-2020年) 》, 要求深入落實《中國製造2025》, 加快實施綠色製造, 推動工業綠色發展, 聚焦盾構機, 航空發動機與燃氣輪機, 醫療影像設備, 重型機床及油氣田裝備等關鍵件再製造, 以及增材製造, 特種材料, 智能加工, 無損檢測等綠色基礎共性技術在再製造領域的應用. 作為 '以尺寸恢複和性能提升' 為主要技術特徵的機電產品資源化迴圈利用的中國特色再製造產業, 可以認為是工業再設計的子集或業務場景之一, 即不用計算機輔助創新和模擬優化等設計技術, 而只用增材製造等先進位造工藝實現對現有產品的尺寸恢複和性能提升.
增材製造等先進位造技術除了助力工業再製造, 還可以應用於以下場景, 以滿足基於生態設計和綠色製造的可持續發展迴圈經濟的大目標: (1) 通過改進產品維修性設計 (Design for MRO) 延長產品使用壽命; (2) 面向客戶裝配和材料回收的可拆卸設計 (Design for Disassembly) ; (3) 增材製造大規模定製條件下, 在產品設計早期就檢核材料使用和報廢處理的面向回收再利用的設計 (Design for Recycling) ; (4) 面向新型複合材料和生物材料增材製造的材料回收和再利用; (5) 增材製造產業鏈內的清潔能源開發和利用; 等等. 增材製造技術對於人類可持續發展和迴圈經濟, 機遇和挑戰並存, 但機遇遠大於挑戰, 所面臨的挑戰要站在生態鏈, 產業鏈和產品全生命周期等全局和系統的高度加以解決.
2.2 外延
'正向設計' 和 '工業再設計' 的適用對象從最初的複雜系統和產品拓展到現在的人工物理系統 (即一定包含硬體的人工系統) (圖16) , 適用範圍從最初的產品設計拓展到現在的產品設計加環境設計 (圖10) . 這樣, 與人類生產生活密切相關的醫療衛生, 文化創意, 智能建築, 智慧城市等行業和領域被納入到 '正向設計' 和 '工業再設計' 的業務範圍. 經過這樣的外延拓展後, '正向設計' 和 '工業再設計' 面向的業務領域和場景已拓展到人類工業化進程的核心——設計製造活動所指向的所有物質生產.
圖16 系統分類與人工物理系統[22]
關於正向設計和工業再設計之間的關係. 從所覆蓋的業務範圍角度看, 工業再設計是正向設計的一個子集 (圖17, 圖18) , 即在適應基於MBSE新研發範式的精益研發三維繫統工程模型框架[18, 23]中, 正向設計活動充滿了整個三維空間, 可以應用於各種系統層次和系統的各個生命期階段的改進設計, 原創設計和技術研發三大類業務場景; 而工業再設計主要針對於成熟期的產品和系統的改進設計和重新設計. 從工業化發展階段看, 工業再設計適合作為中國現階段聚焦產品質量和產品創新的製造業轉型升級的切入點和突破口以及工業化補課式的解決方案; 正向設計在發達國家是常識, 在中國則需要從學術界到工業界重建正向設計的理論和實踐, 而正向設計能力建設是一個長期, 動態, 系統的學習, 實踐和能力成熟度提升過程.
圖17 精益研發三維繫統工程模型框架下的正向設計三維空間[18]
圖18 精益研發三維繫統工程模型框架中的工業再設計子空間
3 體系架構 (How-1)
3.1 技術架構和邏輯架構
整體解決方案的技術架構 (圖19) 參照了錢學森在系統觀點指導下1980年代初提出的 '三個層次一座橋樑' 的現代科學學科體系一般框架 (圖20) , 包括: 基礎學科層——系統工程, 數學, 物理學, 材料學等, 資訊化使能環境——面向數字主線和數字孿生的數據協同, 基於大數據和物聯網的雲製造, 技術學科層——TRIZ及技術創新和管理, 拓撲優化, 工程模擬, 知識工程, 工程技術層——基於系統工程面向增材製造的產品材料工藝一體化設計方法學, 及其流程體系組合配置而成的正向設計諮詢體系, 先進位造工藝融合優選諮詢體系, 先進材料製備研備服務體系, 工程實踐層——面向工業品的解決方案體系 (如飛機, 航空發動機, 汽車, 模具等) , 面向產業鏈的解決方案體系 (如創業者, 消費者, 醫療, 高等教育和職業培訓等公共事業, 文創, 建築等) , 面向工業化和資訊化的產品體系 (工藝和材料設備, 軟體工具和平台等) .
圖19 基於正向設計和增材製造的高端研發與先進位造整體解決方案技術架構
圖20 學科體系一般框架[24]
圖21 整體解決方案邏輯架構
保證這一技術架構有效運轉的整體解決方案的邏輯架構如圖21所示, 將按材料設計工藝製造專業劃分的線性一維樹狀組織架構拓展為面嚮應用和市場的主營業務和其他共性基礎業務構成的二維矩陣式組織架構. 這一架構既符合歐美先進企業研發模式, 又與錢學森關於研究對象的學科和研究關係的學科共同織成一張科學的布的思想 (圖22) 相匹配. 而且根據錢老這一思想, 我們非常重視系統科學, 系統工程和數學在整體解決方案中的骨幹作用.
圖22 科學的二維體系[25]
整體解決方案的邏輯架構對技術架構的保障和支撐如圖23所示.
圖23 從系統及其使能系統的生命期階段模型看邏輯架構對技術架構的支撐[26]
3.2 流程體系
支撐 '基於系統工程面向增材製造的產品材料工藝一體化設計方法學' 的是一套系統化的正向設計流程體系, 這套流程體系充滿了圖17所示正向設計三維空間各個維度, 各個層次, 各個角落. 這套流程體系是基於系統工程的, 即系統工程的技術過程域, 技術管理過程域, 協議過程域和組織項目使能過程域下的各個過程 (圖24) 將被應用於這套正向設計流程體系.
3.2.1 系統維上的主流程
首先是系統維上的主流程, 即系統生命期階段模型及其相關管理流程, 保證組織做正確的事, 這是面向外部客戶, 聚焦在交付給客戶的產品或服務的物的維度. INCOSE新版系統工程手冊給出了來源於ISO/IEC/IEEE 15288, 美國國防部裝備採辦綜合管理框架, NASA, 美國能源部, 典型高技術商用系統整合商, 典型高技術商用系統製造商等生命期階段模型. 可以根據系統維上的研究對象類型 (如技術, 產品, 解決方案, 業務及其組合等) 和系統層次 (體系, 系統, 子系統, 元器件/零部件等) 的不同, 選取或定製合適的生命期階段流程模板. 圖24中除了組織項目使能過程域下的生命期模型管理過程外, 該過程域下的組合管理過程和基礎設施管理過程, 以及協議過程域下的採辦過程和供應過程, 共五個過程在系統維上.
圖25是以整體解決方案 (組合了技術, 產品, 解決方案和業務) 為研究對象, 面向內部業務運營的, 從市場需求到技術研發, 再到產品組合, 最後到解決方案交付的業務運營閉環示意圖. 圖26是業務需求開發, 定義, 追溯和解決方案開發, 交付形成的閉環, 相當於是圖6的實體V模型 (忽略圖中的紅綠黃逆向箭頭) 以業務為研究對象, 在圖17系統維上的實例化, 也相當於是圖25以業務需求和解決方案為視角的細化. 圖27是INCOSE新版系統工程手冊中的業務或使命分析過程的輸入, 輸出和活動列表, 被整體解決方案採納為業務需求開發流程, 是圖26的子流程. 圖28是基於IPD方法的技術研發和產品研發的整合管理框架, 相當於是圖25以技術研發和產品開發為視角的細化.
圖24 ISO/IEC/IEEE 15288中定義系統工程過程[27, 28]
圖25 從市場需求到解決方案交付的業務運營閉環[11]
圖26 業務需求開發, 定義, 追溯和解決方案開發, 交付的閉環[31]
圖27 業務或使命分析流程[28]
圖28 技術研發和產品研發的整合管理框架[29]
3.2.2 邏輯維上的輔流程
其次是邏輯維上的輔流程, 即系統工程的核心過程, 保證組織正確地做事, 這是面向組織內部, 聚焦在系統工程過程執行和管控的事的維度. 圖24中的系統工程技術過程域下的14個過程和技術管理過程域中除資訊管理外的七個過程, 共21個過程在邏輯維上. 圖6的實體V模型 (忽略圖中的紅綠黃逆向箭頭) 是將圖24系統工程技術過程域中的各個過程串起來的核心引擎流程, 其中技術過程域的後三個過程 (運行, 維護, 報廢) 本身就是實體V模型的實例化應用 (圖29) .
圖29 基於系統工程過程的裝備後勤保障運維示意[30]
由實體V模型在系統各個層次上的遞歸應用構成三維立體的雙V模型 (圖30) . (實體) V模型不僅僅是掰彎了的瀑布模型或串列開發過程, 根據TRIZ的一維變多維創新原理, 增加一個維度意味著看待世界的視角完全改變, V的形狀非常準確地表示了從系統分解到整合活動的系統演化過程, 使系統工程過程變得可視化, 且易於管理. 考慮系統架構和系統元素實體的並行開發而產生的雙V模型, 二維變三維, 又增加了一個維度, 體現了系統工程過程模型通過不斷向超系統進化而提高理想度的趨勢. 除了在系統層次上的遞歸應用外, 雙V模型可以在可靠性, 安全性, 保障性等系統特性上進行實例化, 也可應用於新產品設計, 現有產品改進 (包括工業再設計) 等正向設計所涉及的各種業務場景以及故障診斷排除等問題求解場景, 還可以應用於進化開發, 增量開發等軟體開發模式[26]. 同樣, 無論是傳統的DFM/DFA, 還是作為新範式重要組成部分的DFAM, 以及面向生態設計和綠色製造的可持續設計 (Design for Sustainability) , 它們都是實體V模型左半邊的需求輸入, 以實體V模型和雙V模型為框架開展實際的產品研製, 進而實現對實體V模型和雙V模型的實例化應用 (圖31) .
圖30 實體V和架構V構成的雙V模型在系統層次上的遞歸應用[33]
圖31 系統工程實體V模型可以在全系統, 全過程, 全特性上進行實例化以及DFAM和其他特性的關聯關係示意
第2節 '正向設計' 定義中提到了正向設計的三大目標: (1) 提升人工物理系統的設計製造一體化能力, (2) 提升企業自主創新能力, (3) 提升企業和社會可持續發展能力. 這三大目標呈遞進關係, 最終服務於圖10所示的設計的最終目的——人, 自然和社會這一複雜巨系統的可持續發展和進化. 所以, 支撐 '基於系統工程面向增材製造的產品材料工藝一體化設計方法學' 的正向設計流程體系要反映和滿足正向設計三大目標按層次分解產生的業務場景和指標體系. 例如, 圖32是滿足可持續發展的頂層目標的迴圈經濟模型, 這樣的模型將為正向設計流程的應用場景——生態設計和綠色製造最頂層的通用特性指標——可持續設計及其在2.1.3節最後提到的若干場景提供需求輸入.
圖32 由設計驅動並形成良性迴圈的工業系統——迴圈經濟模型示例[34]
面向增材製造的設計的總體流程如圖33所示. 這一流程涵蓋了產品的需求分析, 架構設計, 詳細設計等過程. 在實際應用時, 需要將這一指導性流程與雙V模型的系統工程過程框架進行結合. 圖34給出了基於德國標準機械產品系統化設計VDI 2221的面向增材製造的設計流程, 可以認為這是圖33按VDI 2221在研發階段上的具體化. 一般認為, VDI 2221是VDI 2206 (機電產品設計方法學) 的子集, 而VDI 2206採納架構V模型作為機電產品開發的流程框架 (圖35) . 設計方法學德語學派和美國系統工程界近半個世紀來在各自領域的工作和成就殊途同歸, 使得基於模型的系統工程新範式成為複雜產品研製和全生命期管理的流程框架和資訊化平台的核心.
支撐上述面向增材製造設計頂層流程的是若干專業化子流程, 如適用於工業再設計的零件合并和功能整合流程 (圖36) , 基於微觀宏觀結構建模和多目標優化的工藝, 材料, 零件/產品並行設計, 基於MBSE的系統建模, 拓撲優化及模擬和創成設計一體化流程 (圖37) , 面向增材製造的創成設計流程 (圖38) 等. 創成設計是用計算機演算法和CAD軟體生成概念方案, 進而為拓撲優化提供輸入; 它是增材思維, 進而是正向設計/工業再設計的使能技術. 目前的創成設計應用熱點, 除了與拓撲優化的結合, 還包括前端與MBSE的結合.
圖33 面向增材製造的設計方法的總流程[35]
圖34 基於VDI 2221的增材製造設計流程[36]
圖35 基於架構V模型的德國標準VDI 2206機電產品設計流程[37]
圖36 零件合并和功能整合流程[38]
圖37 基於MBSE的系統建模, 拓撲優化及模擬和創成設計一體化流程示例[39]
圖38 面向增材製造的創成設計流程[40]
3.2.3 認知維上的能力建設
最後是認知維上的能力建設, DIKW的認知流反映了人和組織智力層次結構價值遞增的順序, 記錄了主觀世界認識和改造客觀世界的認知過程和結果, 這是關注組織自身成長的人的維度. 這個維度既包括人工物理系統全生命期過程中產生的DIKW的管理和轉化躍遷, 也包括個體和組織現有DIKW在人工物理系統全生命期中的應用. 個體和組織對人工物理系統的認識不斷深化, 積累形成數據→資訊→知識→智慧的認知流就是其自身的能力建設 (圖39) . 圖24中技術管理過程域下的資訊管理過程, 以及組織項目使能過程域下的知識管理過程, 人力資源管理過程和質量管理過程, 共四個過程在認知維上.
圖39 DIKW認知流[41]
在認知維上, DIKW框架, 方法和工具可以按組織架構應用於不同層級, 也可應用於系統維和邏輯維上涉及圖24中系統工程技術管理過程域和組織項目使能過程域的各個過程, 還可按照DIKW四個層次, 應用於工程海量數據, 工業大數據, 互聯網大數據等不同種類的數據整合, 分析, 挖掘, 展示場景, 應用於產品模型數據的管理, 融合和協同, 應用於知識管理, 知識工程, 各種專業資料庫/知識庫建設, 乃至應用於集團企業的商業智能和戰略決策等. 未來利用增材製造, 雲計算, 物聯網等技術實現的分布式製造, 泛在製造, 社會製造等近乎零邊際成本的生產模式將在DIKW框架下形成面向賽博物理社會空間的智慧經濟. 圖40給出了DIKW框架在生產製造領域的應用示例.
圖40 DIKW框架在製造領域的應用示例[42]
相比以減材工藝為核心的傳統製造模式, 以增材製造為核心的工藝融合和分布式雲製造模式更需要DIKW框架和大數據, 物聯網等相關方法工具的支援. 圖41給出了面向增材製造的雲設計製造模式下的數據層服務示例.
圖41 面向增材製造的雲設計製造模式下的數據層服務示例[43]
4 方法工具 (How-2)
這裡重點討論在圖19技術架構中起共性基礎作用的若干方法工具.
4.1 系統思維
2.1.3節中提到的價值, 功能, 能量的觀點, 以及列舉的一些方法工具, 都是系統思維的具體應用. 這裡再補充一點——層次的觀點, 在系統工程叫層次: 體系 (SoS) -超系統-系統-子系統; 在材料學科叫尺度: 宏觀-介觀-微觀. 層次的觀點是指, 以關係為研究對象的學科 (系統工程, 數學) , 其方法工具可以跨層次應用; 以某類事物為研究對象的學科 (物理, 化學, 材料等) , 其方法工具只能在某個尺度內應用 (圖42) .
圖42 跨尺度的系統思維, 系統建模和系統驗證[44]
4.2 問題求解
問題求解的思維是貫穿整體解決方案各個層面, 各個方向, 各處細節的全局性的思維方法, 其典型工具就是系統工程和TRIZ. 系統工程是保證把複雜的事情做對, 做好, 做快的一套方法論, 解決的是組織創造力的問題; TRIZ理論來自對人類已有技術創新發明成果的分析和提煉, 解決的是個體創造力的問題. 兩者都直面問題, 採用系統化規範化的解題流程, 並極具創新精神, 在我們的整體解決方案中 (以及其他眾多應用場合) , 兩者互為補充, 相得益彰 (圖43, 圖44) .
圖43 系統工程視角下的問題求解[45]
圖44 TRIZ理論視角下的問題求解[46]
問題求解要和系統思維, 數學思維結合在一起, 樹立邊界意識和極限意識, 為整體解決方案提供理論支撐. 以人工智慧為例, 我們從整體解決方案的業務需求場景的現狀和未來出發, 對AI技術進行冷靜客觀地分析 (圖45) , 歡迎智能相關技術對整體解決方案的提升.
圖45 從系統思維和數學思維出發看人工智慧的邊界[47]
4.3 數據協同
正如圖2所示, 按照TRIZ理論提高系統完備性趨勢和提高理想度趨勢的建議, 增材製造, 等材製造, 仿生製造, 微納製造和梯度材料, 智能材料等新工藝, 新材料, 新技術要想走出象牙塔, 取得工業應用的規模和效益, 還需要資訊化方法手段的輔助支援. 除了3.2節流程體系中涉及的各階段, 各步驟所需的平台和工具, 更關鍵的是其中從微觀到宏觀與 (產品, 材料, 工藝, 檢測等) 數據的產生, 管理和協同相關的平台和工具. 這裡重點討論與增材製造相關的數據管理和協同平台. 增材製造數字主線資訊生成地圖如圖46所示.
圖46 增材製造數字主線資訊生成地圖[48]
由NIST起草, ASTM和ISO批准, 美國增材製造創新研究院和ANSI發布的增材製造標準體系如圖47所示. STEP標準 (ISO 10303) 中新版AP242 (基於受管模型的三維工程) 和AP238 (整合數控加工) 也增強了對增材製造產品, 工藝和加工數據表達的支援.
基於數字主線可實現增材製造過程的數字孿生 (圖48) , 藉助數字替身實踐TRIZ理論提到的增加可控性趨勢和提高系統完備性趨勢 (圖8) . 進而基於STEP/PLCS標準可實現分布式異地供應鏈協同和增材減材等工藝融合的雲製造模式 (圖49) .
圖47 增材製造標準體系[49]
圖48 基於數字主線的增材製造數字孿生[50]
圖49 基於STEP標準數據模型協同的增材減材等工藝融合的雲製造模式示例
5 結論
提高理想度水平是一切人工物理系統及其相關的人類設計, 製造乃至工業化產業化活動的進化目標. 無論是正向設計, 還是整體解決方案 (圖50) , 都是如此.
圖50 整體解決方案的能力成熟度等級框架
新版系統工程手冊在提到enterprise這一概念時提到兩個必要條件, An enterprise must do two things: [37]
(1) develop things within the enterprise to serve as either external offerings or as internal mechanisms to enable achievement of enterprise operations;
(2) transform the enterprise itself so that it can most effectively and efficiently perform its operations and survive in its competitive and constrained environment.
這兩個條件換成中文就是: 創造價值, 成就他人, 同時成為更好的自己. 這也是enterprise當作組織理解時的本質, 即創業+創新. 基於正向設計和增材製造的高端研發與先進位造整體解決方案就是我們對 '弘揚精益精神, 創造智慧工業' 這一初心和願景的最新詮釋.
增材製造與傳統製造的關係, 可以類比為經典物理和原子物理的關係, 增材製造未來的發展也必定像原子物理, 量子物理一樣有著廣闊而深遠的前景. 基於增材思維的先進位造技術體系正是中國製造業轉型升級的 '第二種機會窗口' , 使得我們有可能換道超車. 增材思維是一場回歸設計本質, 打破思維定勢, 釋放設計自由度和激發創造力的革命; 這場革命不僅是製造的革命, 更是設計的革命, 針對的不僅是產品研發設計人員, 而是廣泛大眾; 這場革命將為各層次各領域的創造力教育和工程教育帶來革命性的變化; 進而倒逼拿來主義畏於創新的保守心態的改變, 為重建基於系統工程的正向設計理論與實踐掃清文化心理障礙, 並提供源源不斷的後備人才.
整體解決方案脫胎於資源全局優化配置的創新商業模式, 為《中國製造2025》中的設計製造一體化提供可落地實施的解決方案 (圖51) , 既包括現階段聚焦產品質量和產品創新的製造業轉型升級的切入點和突破口以及工業化補課式的解決方案——工業再設計, 也包括從學術界到工業界長期, 動態, 系統化地重建正向設計的理論和實踐, 從而全面提升人工物理系統的設計製造一體化能力和企業自主創新能力, 為製造業轉型升級的換道超車提供成功保障 (圖52) .
圖51 安世亞太倡導的精益研發與基於正向設計和增材製造的高端研發與先進位造整體解決方案在推進實施《中國製造2025》中的位置[51]
圖52 增材製造相關專利技術國別地區分布示意 (數據來源: USPTO和WIPO) [52]
致謝
感謝杭州德迪智能科技有限公司應華總經理對本文的指導. 感謝張效軍, 楊壹傑, 包剛強, 胡泊諸位同事對本文的貢獻.
參考文獻 (部分)
[1] 段海波. 工業再設計和正向設計概念辨析. 安世亞太微信, 2016-4-8
[2] 段海波. 為什麼工業再設計是現階段的突破口? ——試論製造業轉型升級的路徑選擇. 安世亞太微信, 2016-5-13
[3] 段海波. '正向設計' 新解. 安世亞太微信, 2016-10-15
[4] 段海波. 智能製造術語——正向設計. 2017.6 // 中國電子資訊產業發展研究院組編. 智能製造術語解讀. 機械工業出版社, 待出版
[5] 段海波. 智能製造術語——工業再設計. 2017.7
[6] 工信部CSIP (胡紅梅, 田鋒, 侯曉軍) . '工業再設計' 應成為 '中國製造2025' 的內核動力.賽普觀察微信, 2016-1-11
[7] 賈根良. 第三次工業革命與新型工業化道路的新思維——來自演化經濟學和經濟史的視角. 中國人民大學學報, 2013,(2):43-52
[8] Nikolay Shpakovsky. Evolution Trees - Analysis of technical information and generation of new ideas. TRIZ Profi, 2006
[9] Carlota Perez. Technological Change and Opportunities for Development as a Moving Target. 2000
[10] Yoram Koren. The Global Manufacturing Revolution: Product-Process-Business Integration and Reconfigurable Systems. Wiley, 2010
[11] 應華. 先進設計與製造——增材工藝開啟製造新紀元. 2017中國增材製造大會暨展覽會
[12] 王華明. 增材製造3D列印技術. 北航公開課, 2014
[13] 蘇章仁. 技術科學在當下的意義. 中國科學報, 2013-2-25
[14] 王飛躍. 從社會計算到社會製造: 一場即將來臨的產業革命. 中國科學院院刊, 2012,27 (6):658-669
[15] Jeremy Rifkin. 零邊際成本社會: 一個物聯網, 合作共贏的新經濟時代. 中信出版社, 2014
[16] Yuri Salamatov著. 王子羲, 郭躍紅, 高婷, 段海波譯. 怎樣成為發明家——50小時學創造. 北京理工大學出版社, 2006
[17] 趙敏, 史曉淩, 段海波編著. TRIZ入門及實踐. 科學出版社, 2009
[18] 段海波.從霍爾模型這一技術系統的發展進化看傳統系統工程到現代系統工程的演變.安世亞太微信, 2015-11-20
[19] 段海波. 分布式協同環境下轉子結構設計整合系統研究與實現. 北航博士論文, 2001
[20] Zhenhai Xia. Biomimetic Principles and Design of Advanced Engineering Materials. John Wiley & Sons, 2016
[21] Ulrike Wegst, et al. Bioinspired structural materials. Nature Materials, Vol 14, 2015-01
[22] Peter Checkland. 系統論的思想與實踐. 華夏出版社, 1990
[23] 段海波. 工業新概念——基於模型的系統工程. 知識自動化微信, 2017-08-18
[24] 錢學森等. 論系統工程 (增訂本) . 湖南科學技術出版社, 1988
[25] 錢學森. 科學的藝術與藝術的科學. 人民文學出版社, 1994
[26] GB/T 22032-2008 系統工程 系統生存周期過程
[27] ISO/IEC/IEEE 15288:2015 Systems and software engineering - System life cycle processes
[28] INCOSE Systems Engineering Handbook v4. 2015
[29] 周輝. 產品研發管理: 構建世界一流的產品研發管理體系. 電子工業出版社, 2012
[30] 段海波. 由系統工程最佳實踐引發的思考 (之三) ——由B-52升級延壽看美軍武器裝備的後勤保障體系.安世亞太微信, 2014-4-4