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十幾年前德國(guó)提出工業(yè)4.0概念以后，中國(guó)制造業(yè)是最積極的實(shí)踐者，對(duì)智能制造投資力度之大不說(shuō)舉全國(guó)之力，和歐美日韓任何一個(gè)經(jīng)濟(jì)體相比也夠得上天量資金投入了。按理說(shuō)應(yīng)該已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了張教授所謂的“清場(chǎng)式遙遙領(lǐng)先”，但事實(shí)卻并非如此。

我們過(guò)早地“梭哈”了一個(gè)“偽第四次工業(yè)革命”，當(dāng)我們“清盤”離場(chǎng)之后，下半場(chǎng)更大的賭局才開始：門檻更高，籌碼更大，規(guī)則更復(fù)雜，限制條件也更多。所以跟了兩把就下桌了。

本文觀點(diǎn)及邏輯

1. “工業(yè)4.0”沒(méi)有提出足以開創(chuàng)一個(gè)時(shí)代的理論或技術(shù)遠(yuǎn)景，與前三次技術(shù)革命沒(méi)有可比性，因此算不上“第四次工業(yè)革命”
2. 由于過(guò)度關(guān)注“工業(yè)4.0”，導(dǎo)致同時(shí)期的同樣重要的制造技術(shù)新趨勢(shì)被忽略，其中就包括與AI相關(guān)的“生成式設(shè)計(jì)”
3. 大量的資金和社會(huì)資源被引導(dǎo)至制造環(huán)節(jié)，原本極度欠缺的工藝和設(shè)計(jì)能力沒(méi)能即時(shí)加強(qiáng)，導(dǎo)致中國(guó)制造業(yè)創(chuàng)新不足但產(chǎn)能過(guò)剩的問(wèn)題更加尖銳；
4. 生成式人工智能獲得突破后，收益最大的是設(shè)計(jì)和工藝環(huán)節(jié)，之前人腦無(wú)法想象的新結(jié)構(gòu)和新方法都將被AI輕而易舉地創(chuàng)造出來(lái)。而這恰恰是中國(guó)制造欠缺的。
5. 人類無(wú)法通過(guò)“逆向工程”獲得由AI生成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路，也就是說(shuō)AI的設(shè)計(jì)無(wú)法“山寨”。即便反求獲得了外形參數(shù)，模仿的速度也跟不上AI創(chuàng)新的速度。
6. 如果10年前沒(méi)把眼光鎖死在“工業(yè)4.0”，也許“生成式設(shè)計(jì)”，“自適性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化”，“智能材料”，“輕量化設(shè)計(jì)”等概念會(huì)百花齊放。

正文

仔細(xì)想來(lái)，我也算是最早蹭到“工業(yè)4.0”流量的那波人。工業(yè)4.0概念發(fā)源于德國(guó)，弘揚(yáng)于中國(guó)，所以2012年之后就有大量的來(lái)自高校，政府，企業(yè)和投資界的同胞到德國(guó)考察工業(yè)4.0項(xiàng)目。當(dāng)時(shí)我還在MAKA做非標(biāo)設(shè)備，所以就提了個(gè)MAKA 4.0概念，其中包括設(shè)計(jì)4.0，工藝4.0和工廠4.0。業(yè)內(nèi)反響還不錯(cuò)，當(dāng)時(shí)高峰期幾乎每周都要接待國(guó)內(nèi)的參觀團(tuán)，也是給老東家免費(fèi)做了多年的市場(chǎng)推廣。

但是到了14年左右的時(shí)候，德國(guó)制造和工業(yè)4.0開始被神化和過(guò)度吹捧，以至于中國(guó)制造企業(yè)和政府都認(rèn)為工業(yè)4.0是制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的必經(jīng)之路，自“工業(yè)機(jī)器人熱”后，全國(guó)上下相繼開始了“工業(yè)4.0熱”，“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)熱”和“智能制造熱”。都是對(duì)制造環(huán)節(jié)的過(guò)度關(guān)注，其中缺失了“設(shè)計(jì)”和“工藝”。

作為一個(gè)有良知的工程技術(shù)人員，蹭熱度的同時(shí)我還是會(huì)不斷地給工業(yè)4.0潑冷水，每次給企業(yè)和機(jī)構(gòu)的報(bào)告里都會(huì)客觀地指出工業(yè)4.0的局限性。以至于有一次聽課的領(lǐng)導(dǎo)直接否定我的觀點(diǎn)，他認(rèn)為工業(yè)4.0和智能制造已經(jīng)上升到了國(guó)家戰(zhàn)略層面，是不容置疑的。好在游學(xué)主辦方大都接受不同的聲音，仍然會(huì)陸續(xù)介紹企業(yè)。

工業(yè)4.0不等于第四次工業(yè)革命

這其實(shí)也是我多年以來(lái)的觀點(diǎn)。最先由SAP拋出的工業(yè)4.0概念其實(shí)都是為其產(chǎn)品的市場(chǎng)推廣服務(wù)的。比如當(dāng)時(shí)SAP剛剛推出的HANA企業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)，所以SAP對(duì)工業(yè)4.0的描述偏重“大數(shù)據(jù)”，“數(shù)據(jù)挖掘”等應(yīng)用；西門子那時(shí)候已經(jīng)重新整合了“博圖”平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了由虛擬PLC控制數(shù)模的運(yùn)動(dòng)，即所謂的“軟件/硬件在環(huán)”。虛擬調(diào)試系統(tǒng)MCD成功后，西門子就立刻提出了“數(shù)字孿生”概念。“工業(yè)4.0”火爆全球后，就整合了CPS，IoT等應(yīng)用打包成西門子的工業(yè)4.0概念推向市場(chǎng)。

雖然其中有一些概念和應(yīng)用還不錯(cuò)，但是絕對(duì)夠不上“革命”的力度。

第四次工業(yè)革命應(yīng)該是人工智能大范圍的應(yīng)用

“我們可以用“嚇尿程度”來(lái)評(píng)估目前是否正在進(jìn)行第四次工業(yè)革命。假設(shè)我們讓瓦特通過(guò)時(shí)間旅行穿越到1930年代的美國(guó)，那么他多半會(huì)被燈紅酒綠的夜生活和穿梭往來(lái)的汽車嚇尿；如果讓愛迪生穿越到90年代，他也多半會(huì)驚訝于各種電子產(chǎn)品和互聯(lián)網(wǎng)，盡管他是電氣時(shí)代偉大的發(fā)明家，但穿越之后也只能在信息時(shí)代做個(gè)普通人；要是讓圖靈穿越到現(xiàn)在，想必他一下子就能理解我們現(xiàn)在所處的信息社會(huì)的運(yùn)作方式，不出幾個(gè)月他就會(huì)再次成為信息領(lǐng)域頂尖的高手。所以如果想讓圖靈驚掉下巴，還需要更加顛覆性的技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)革命，可見真正意義的第四次工業(yè)革命尚未開始。” —-《2021，和工業(yè)4.0說(shuō)拜拜》

“工業(yè)4.0理論”（姑且稱它是一種制造業(yè)發(fā)展的理論吧）最大的缺陷就在于它對(duì)正在發(fā)生的第四次工業(yè)革命和科技革命缺乏遠(yuǎn)見。只看到了當(dāng)下成熟的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對(duì)人工智能，新材料，新工藝等有可能顛覆現(xiàn)代制造業(yè)的技術(shù)和理論缺乏想象力。—-《2021，和工業(yè)4.0說(shuō)拜拜》

第四次工業(yè)革命真正的主角可能是“生成式設(shè)計(jì)”

早在工業(yè)4.0如火如荼的2015年，空客的一個(gè)隔斷設(shè)計(jì)在很多展會(huì)上亮相，也獲獎(jiǎng)無(wú)數(shù)。就是下面圖中的復(fù)雜且極具美感的結(jié)構(gòu)。

仿生隔墻采用生成式設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，在保持相同穩(wěn)定性的同時(shí)，重量大幅減輕。下面的視頻可以便于理解生成式設(shè)計(jì)的過(guò)程。

總體來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)師先規(guī)定了優(yōu)化范圍和約束條件，讓計(jì)算機(jī)在這個(gè)隔斷的輪廓線上，按照一定距離設(shè)定節(jié)點(diǎn)，再把節(jié)點(diǎn)之間連線。如果所有節(jié)點(diǎn)之間都設(shè)計(jì)連線，那么結(jié)構(gòu)剛性倒是很好，但是支撐桿太多，重量太大；如果減少支撐桿的數(shù)量，經(jīng)濟(jì)性會(huì)變得更好，但是結(jié)構(gòu)剛性也會(huì)相應(yīng)減小。于是，之間的取舍平衡編程了問(wèn)題的癥結(jié)。生成式設(shè)計(jì)其實(shí)就是通過(guò)遺傳算法，生成合適的參數(shù)組合，再用仿真計(jì)算篩選出優(yōu)秀的參數(shù)組合。最后給設(shè)計(jì)師若干組合理的設(shè)計(jì)方案，有設(shè)計(jì)師做最終的判斷。

程序最終生成了100多個(gè)可行的方案，用戶可以根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)做篩選。空客這個(gè)項(xiàng)目最重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)是剛性和重量，因此最終在功能，成本和美感之間做出了最佳的平衡。這種設(shè)計(jì)人類是無(wú)法完成的，而且同樣嚴(yán)重依賴算力，因?yàn)槊可梢粋€(gè)方案，就要對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算，而且優(yōu)化的目標(biāo)不同仿真的參數(shù)也就不同。所以整個(gè)過(guò)程非常耗時(shí)，也消耗資源，普通企業(yè)難以承受，也只能靠云計(jì)算訂閱軟件服務(wù)。

說(shuō)到“生成式設(shè)計(jì)(Generative Design)”就不得不提“拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)（Topology Design）”

拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)也是依靠有限元，讓程序不斷計(jì)算出受力最小的微元，并將其從網(wǎng)格中刪掉，再進(jìn)行計(jì)算，不斷地去掉不重要的材料。如此循環(huán)迭代，最終得出最高效的結(jié)構(gòu)。這個(gè)功能早已在歐洲企業(yè)廣泛使用了，算法也不斷在優(yōu)化，計(jì)算速度也從10年前幾周縮短到現(xiàn)在的幾分鐘。

所以我并不認(rèn)同歐洲互聯(lián)網(wǎng)和人工智能發(fā)展停滯的觀點(diǎn)。歐洲的工業(yè)軟件非常發(fā)達(dá)，而且大型化和智能化的進(jìn)程一刻都沒(méi)有停止。只不過(guò)歐美制造業(yè)的重心一直放在研發(fā)和設(shè)計(jì)上，因?yàn)檫@個(gè)環(huán)節(jié)一直有巨大的增長(zhǎng)潛力。

下面這幅圖是15年前，某刀具廠家對(duì)銑削工藝做的仿真。他們通過(guò)與實(shí)際的車削數(shù)據(jù)做對(duì)照，不斷優(yōu)化仿真模型的材料和工藝參數(shù)，最終讓仿真效果逼近真實(shí)。視頻里，切屑的產(chǎn)生到卷曲過(guò)程都完美的模擬了出來(lái)，而且整個(gè)過(guò)程產(chǎn)生的熱量，應(yīng)力，應(yīng)變等參數(shù)都被準(zhǔn)確計(jì)算出來(lái)。

在優(yōu)化仿真模型的過(guò)程中，物理實(shí)驗(yàn)和仿真模型構(gòu)成一對(duì)CPS（賽博物理系統(tǒng)），可以美其名曰工藝4.0。這種仿真模型參數(shù)的調(diào)校的難度不亞于當(dāng)下最火的訓(xùn)練大語(yǔ)言模型，都需要強(qiáng)大的算力，優(yōu)秀的算法和大量的人工試驗(yàn)。而一旦仿真模型優(yōu)化成功，那么就可以幾乎一勞永逸地解決零件試制問(wèn)題，刀刃的尺寸可以任意修改，直到滿意為止。

產(chǎn)品和工藝開發(fā)過(guò)程中的差距往往是隱性的，不像自動(dòng)化設(shè)備和工廠生產(chǎn)組織那么顯而易見。當(dāng)我們?cè)诠I(yè)4.0的賽道上飛奔時(shí)，對(duì)手在按部就班地改進(jìn)設(shè)計(jì)方法，優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)。

第四次工業(yè)革命將會(huì)讓“山寨”變得不可行，因?yàn)樵O(shè)計(jì)的比拼最終將落實(shí)為模型的比拼。就像我們現(xiàn)在已經(jīng)不再對(duì)MD，SF和DALL.E生成的特定圖片進(jìn)行比較，而是通過(guò)對(duì)比一大堆不同提示詞生產(chǎn)的結(jié)果，比較模型的好壞。工業(yè)零部件的設(shè)計(jì)開發(fā)早在“工業(yè)4.0”概念提出之前，就已經(jīng)開始卷模型了。

拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)不是生成式設(shè)計(jì)

過(guò)去的20年里，拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)發(fā)展迅速，目前基本上主流設(shè)計(jì)軟件大廠都提供拓?fù)鋬?yōu)化模塊，而且完美嵌入到各自的PLM平臺(tái)。根據(jù)客戶的制造工藝和產(chǎn)量要求，程序還可以對(duì)結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化，自動(dòng)生成用于鍛造，鑄造，機(jī)加或3D打印的設(shè)計(jì)。便于鑄造的拔模傾角，澆冒口都自動(dòng)設(shè)計(jì)得妥妥當(dāng)當(dāng)。即便如此這仍然不能算作是生成式設(shè)計(jì)。

拓?fù)鋬?yōu)化存在理論最優(yōu)解，即A.G.M. Michell早在1904年提出的完美桁架模型。因此通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化得出的結(jié)構(gòu)都是大同小異的接近Michell桁架的結(jié)構(gòu)。

生成式設(shè)計(jì)應(yīng)該說(shuō)脫胎于參數(shù)化設(shè)計(jì)，其鼻祖是Autodesk。簡(jiǎn)單講就是自動(dòng)重新排列組合設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)而生成新的設(shè)計(jì)結(jié)果。在這個(gè)過(guò)程中，很多結(jié)果是不好的，因此需要一個(gè)篩選標(biāo)準(zhǔn)，這就是仿真。通過(guò)篩選，把好的設(shè)計(jì)結(jié)果中所采用的參數(shù)保留下來(lái)，作為遺傳基因，與其他的設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行重組，這樣會(huì)產(chǎn)生若干新的設(shè)計(jì)結(jié)果，再次篩選比較好的結(jié)果，如是迭代，這就是所謂的遺傳算法。

最后仍然是生成多個(gè)設(shè)計(jì)結(jié)果，并列出功能參數(shù)進(jìn)行對(duì)照。生成式設(shè)計(jì)的適用面更廣，設(shè)計(jì)結(jié)果也更多樣，可以進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。比如設(shè)計(jì)一個(gè)更加高效的冷卻流道，下圖中左側(cè)兩個(gè)分別是參數(shù)優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化得到的結(jié)果，右邊的則是生成式設(shè)計(jì)的優(yōu)化結(jié)果。如果零件尺寸，材料，工況發(fā)生了變化，那么設(shè)計(jì)結(jié)果也會(huì)隨之發(fā)生巨大的變化。所以此時(shí)去“山寨”單一零件的設(shè)計(jì)已經(jīng)變得毫無(wú)意義，在這個(gè)“基于有限元仿真的生成式AI模型”的加持下，一個(gè)原創(chuàng)性企業(yè)可以0成本源源不斷地產(chǎn)生類似的設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)成本遠(yuǎn)低于逆向（山寨）工程的開銷。

生成式AI將引領(lǐng)第四次工業(yè)革命

最近Sora生成視頻的驚艷表現(xiàn)讓全人類驚呼夢(mèng)境世界到來(lái)，用生成式AI設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)去年也取得了重大進(jìn)展，相信接下來(lái)的突破就是設(shè)計(jì)新材料特別是有機(jī)材料。

對(duì)于制造業(yè)來(lái)說(shuō)，產(chǎn)生新的設(shè)計(jì)結(jié)果并沒(méi)有多大難度，難點(diǎn)在于如何篩選，所以說(shuō)到底還是仿真。比如下面這個(gè)案例，設(shè)計(jì)師讓AI自動(dòng)生成大量的汽車圖片，然后把平面圖轉(zhuǎn)換成點(diǎn)云再轉(zhuǎn)成矢量圖，再運(yùn)行仿真，得出結(jié)果，篩選出更多的可能性。

AIGC+CAE（有限元仿真）即將在工業(yè)和制造業(yè)領(lǐng)域引發(fā)設(shè)計(jì)革命，其深刻性和影響力將遠(yuǎn)大于“工業(yè)4.0”。這就是第四次工業(yè)革命給產(chǎn)品設(shè)計(jì)帶來(lái)的新方法。

押寶“工業(yè)4.0”讓我們錯(cuò)失了很多機(jī)會(huì)

全國(guó)鑼鼓喧天搞“工業(yè)4.0”的那幾年也正是生成式設(shè)計(jì)開始普及的時(shí)候。回到文章開頭的空客的案例，當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)的專業(yè)媒體對(duì)此幾乎沒(méi)有報(bào)道，有限的幾篇文章還都是關(guān)注支撐桿是用3D技術(shù)制造的。因?yàn)?D打印被描述為工業(yè)4.0時(shí)代的關(guān)鍵技術(shù)，所以小編才會(huì)關(guān)注一下。

彼時(shí)，西門子在推出了Create/Run myVirtualMachine模塊，并集成在最新的SINUMERIC ONE平臺(tái)，從此數(shù)字孿生的基因便深植于西門子的軟件產(chǎn)品。這個(gè)功能在機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)領(lǐng)域也是革命性的，因?yàn)樗?ldquo;半實(shí)物仿真”不再需要機(jī)械構(gòu)件，硬件只需要控制器，就可以驅(qū)動(dòng)數(shù)模的運(yùn)動(dòng)。看似運(yùn)動(dòng)仿真和組態(tài)軟件也能實(shí)現(xiàn)類似的功能，但是本質(zhì)上是完全不一樣的。

下面的視頻是最早的數(shù)字孿生產(chǎn)品MCD（Mechatronic Concept Design），數(shù)模的控制程序來(lái)自硬件PLC或者仿真PLC（SIMIT組件），數(shù)模在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中也會(huì)出發(fā)傳感器，仿真的輸入信號(hào)同樣通過(guò)PLCSim傳給控制器硬件，觸發(fā)PLC硬件里的程序繼續(xù)運(yùn)行。在這個(gè)仿真的環(huán)境下，物理特性也被模擬出來(lái)，從視頻里可以看到工件滾落并彈起的動(dòng)作。這些模擬真實(shí)場(chǎng)景的動(dòng)作有可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)臺(tái)夾住，讓技術(shù)人員提前預(yù)判故障。

我第一次接觸MCD是在2009年在亞琛讀研究生時(shí)聽過(guò)的一個(gè)報(bào)告，當(dāng)時(shí)這個(gè)產(chǎn)品應(yīng)該是剛剛完成，還在完善中。僅僅是5年以后，數(shù)字孿生就成為西門子繼TIA全集成自動(dòng)化后最重要的概念在自動(dòng)化和數(shù)控系統(tǒng)市場(chǎng)里被大書特書。

可惜，被“工業(yè)4.0”蒙了雙眼的我們只看到了西門子的CPS和IoT，去西門子Bemberg工業(yè)4.0示范工廠參觀的中國(guó)企業(yè)絡(luò)繹不絕，但是并沒(méi)有深究“數(shù)字孿生”的重要意義。

在我看來(lái)，“生成式設(shè)計(jì)”將為機(jī)械零件的制造（和工廠布局設(shè)計(jì)）帶來(lái)革命，“數(shù)字孿生”將為自動(dòng)化設(shè)備（和生產(chǎn)系統(tǒng)）的開發(fā)帶來(lái)革命。

美蘇高科技爭(zhēng)霸已經(jīng)重演

一項(xiàng)技術(shù)如果無(wú)法得到大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用，那么這時(shí)蘇聯(lián)的計(jì)劃經(jīng)濟(jì)模式比美國(guó)更適合集中力量辦大事。一旦該領(lǐng)域顯現(xiàn)出商業(yè)價(jià)值，那么市場(chǎng)的力量就會(huì)碾壓式計(jì)劃模式。所謂的集中力量辦大事其實(shí)就是政府扮演風(fēng)投角色，而風(fēng)險(xiǎn)投資一定有失手的時(shí)候。

現(xiàn)在回頭看，工業(yè)4.0/智能制造就是押錯(cuò)了，很多企業(yè)為了拿國(guó)家智能制造補(bǔ)貼，把精兵強(qiáng)將都拉出來(lái)搞自動(dòng)化，數(shù)字化，企業(yè)云什么的。卻忽略了最關(guān)鍵的設(shè)計(jì)和工藝，工業(yè)4.0方興未艾的10年也許同樣意味著設(shè)計(jì)和工藝荒廢了10年。

結(jié)語(yǔ)

有限元仿真早已不是什么新技術(shù)，但是歐美制造企業(yè)把仿真玩出了新花樣，在此基礎(chǔ)上相繼搞出了拓?fù)湓O(shè)計(jì)和生成式設(shè)計(jì)。第四次工業(yè)革命一定是AI在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，就像現(xiàn)在科技巨頭們搞的大語(yǔ)言模型大戰(zhàn)，未來(lái)制造業(yè)企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力也是數(shù)字模型，名字我也想好了，就叫“基于有限元仿真和遺傳算法的生成式數(shù)值計(jì)算人工智能大模型”。