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十幾年前德國提出工業(yè)4.0概念以后，中國制造業(yè)是最積極的實踐者，對智能制造投資力度之大不說舉全國之力，和歐美日韓任何一個經(jīng)濟體相比也夠得上天量資金投入了。按理說應(yīng)該已經(jīng)實現(xiàn)了張教授所謂的“清場式遙遙領(lǐng)先”，但事實卻并非如此。

我們過早地“梭哈”了一個“偽第四次工業(yè)革命”，當(dāng)我們“清盤”離場之后，下半場更大的賭局才開始：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。

本文觀點及邏輯

1. “工業(yè)4.0”沒有提出足以開創(chuàng)一個時代的理論或技術(shù)遠景，與前三次技術(shù)革命沒有可比性，因此算不上“第四次工業(yè)革命”
2. 由于過度關(guān)注“工業(yè)4.0”，導(dǎo)致同時期的同樣重要的制造技術(shù)新趨勢被忽略，其中就包括與AI相關(guān)的“生成式設(shè)計”
3. 大量的資金和社會資源被引導(dǎo)至制造環(huán)節(jié)，原本極度欠缺的工藝和設(shè)計能力沒能即時加強，導(dǎo)致中國制造業(yè)創(chuàng)新不足但產(chǎn)能過剩的問題更加尖銳；
4. 生成式人工智能獲得突破后，收益最大的是設(shè)計和工藝環(huán)節(jié)，之前人腦無法想象的新結(jié)構(gòu)和新方法都將被AI輕而易舉地創(chuàng)造出來。而這恰恰是中國制造欠缺的。
5. 人類無法通過“逆向工程”獲得由AI生成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計思路，也就是說AI的設(shè)計無法“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年前沒把眼光鎖死在“工業(yè)4.0”，也許“生成式設(shè)計”，“自適性拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化”，“智能材料”，“輕量化設(shè)計”等概念會百花齊放。

正文

仔細想來，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，弘揚于中國，所以2012年之后就有大量的來自高校，政府，企業(yè)和投資界的同胞到德國考察工業(yè)4.0項目。當(dāng)時我還在MAKA做非標(biāo)設(shè)備，所以就提了個MAKA 4.0概念，其中包括設(shè)計4.0，工藝4.0和工廠4.0。業(yè)內(nèi)反響還不錯，當(dāng)時高峰期幾乎每周都要接待國內(nèi)的參觀團，也是給老東家免費做了多年的市場推廣。

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

作為一個有良知的工程技術(shù)人員，蹭熱度的同時我還是會不斷地給工業(yè)4.0潑冷水，每次給企業(yè)和機構(gòu)的報告里都會客觀地指出工業(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，他認為工業(yè)4.0和智能制造已經(jīng)上升到了國家戰(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

這其實也是我多年以來的觀點。最先由SAP拋出的工業(yè)4.0概念其實都是為其產(chǎn)品的市場推廣服務(wù)的。比如當(dāng)時SAP剛剛推出的HANA企業(yè)數(shù)據(jù)庫，所以SAP對工業(yè)4.0的描述偏重“大數(shù)據(jù)”，“數(shù)據(jù)挖掘”等應(yīng)用；西門子那時候已經(jīng)重新整合了“博圖”平臺，實現(xiàn)了由虛擬PLC控制數(shù)模的運動，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。

雖然其中有一些概念和應(yīng)用還不錯，但是絕對夠不上“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”來評估目前是否正在進行第四次工業(yè)革命。假設(shè)我們讓瓦特通過時間旅行穿越到1930年代的美國，那么他多半會被燈紅酒綠的夜生活和穿梭往來的汽車嚇尿；如果讓愛迪生穿越到90年代，他也多半會驚訝于各種電子產(chǎn)品和互聯(lián)網(wǎng)，盡管他是電氣時代偉大的發(fā)明家，但穿越之后也只能在信息時代做個普通人；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)在所處的信息社會的運作方式，不出幾個月他就會再次成為信息領(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正在發(fā)生的第四次工業(yè)革命和科技革命缺乏遠見。只看到了當(dāng)下成熟的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對人工智能，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說拜拜》

第四次工業(yè)革命真正的主角可能是“生成式設(shè)計”

早在工業(yè)4.0如火如荼的2015年，空客的一個隔斷設(shè)計在很多展會上亮相，也獲獎無數(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)計進行了優(yōu)化，在保持相同穩(wěn)定性的同時，重量大幅減輕。下面的視頻可以便于理解生成式設(shè)計的過程。

總體來說，設(shè)計師先規(guī)定了優(yōu)化范圍和約束條件，讓計算機在這個隔斷的輪廓線上，按照一定距離設(shè)定節(jié)點，再把節(jié)點之間連線。如果所有節(jié)點之間都設(shè)計連線，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)濟性會變得更好，但是結(jié)構(gòu)剛性也會相應(yīng)減小。于是，之間的取舍平衡編程了問題的癥結(jié)。生成式設(shè)計其實就是通過遺傳算法，生成合適的參數(shù)組合，再用仿真計算篩選出優(yōu)秀的參數(shù)組合。最后給設(shè)計師若干組合理的設(shè)計方案，有設(shè)計師做最終的判斷。

程序最終生成了100多個可行的方案，用戶可以根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)做篩選。空客這個項目最重要的評價指標(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)計人類是無法完成的，而且同樣嚴重依賴算力，因為每生成一個方案，就要對其結(jié)構(gòu)進行仿真計算，而且優(yōu)化的目標(biāo)不同仿真的參數(shù)也就不同。所以整個過程非常耗時，也消耗資源，普通企業(yè)難以承受，也只能靠云計算訂閱軟件服務(wù)。

說到“生成式設(shè)計(Generative Design)”就不得不提“拓撲優(yōu)化設(shè)計（Topology Design）”

拓撲優(yōu)化設(shè)計也是依靠有限元，讓程序不斷計算出受力最小的微元，并將其從網(wǎng)格中刪掉，再進行計算，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。

所以我并不認同歐洲互聯(lián)網(wǎng)和人工智能發(fā)展停滯的觀點。歐洲的工業(yè)軟件非常發(fā)達，而且大型化和智能化的進程一刻都沒有停止。只不過歐美制造業(yè)的重心一直放在研發(fā)和設(shè)計上，因為這個環(huán)節(jié)一直有巨大的增長潛力。

下面這幅圖是15年前，某刀具廠家對銑削工藝做的仿真。他們通過與實際的車削數(shù)據(jù)做對照，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。視頻里，切屑的產(chǎn)生到卷曲過程都完美的模擬了出來，而且整個過程產(chǎn)生的熱量，應(yīng)力，應(yīng)變等參數(shù)都被準(zhǔn)確計算出來。

在優(yōu)化仿真模型的過程中，物理實驗和仿真模型構(gòu)成一對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)練大語言模型，都需要強大的算力，優(yōu)秀的算法和大量的人工試驗。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)過程中的差距往往是隱性的，不像自動化設(shè)備和工廠生產(chǎn)組織那么顯而易見。當(dāng)我們在工業(yè)4.0的賽道上飛奔時，對手在按部就班地改進設(shè)計方法，優(yōu)化設(shè)計參數(shù)。

第四次工業(yè)革命將會讓“山寨”變得不可行，因為設(shè)計的比拼最終將落實為模型的比拼。就像我們現(xiàn)在已經(jīng)不再對MD，SF和DALL.E生成的特定圖片進行比較，而是通過對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。

拓撲優(yōu)化設(shè)計不是生成式設(shè)計

過去的20年里，拓撲優(yōu)化設(shè)計發(fā)展迅速，目前基本上主流設(shè)計軟件大廠都提供拓撲優(yōu)化模塊，而且完美嵌入到各自的PLM平臺。根據(jù)客戶的制造工藝和產(chǎn)量要求，程序還可以對結(jié)果進一步優(yōu)化，自動生成用于鍛造，鑄造，機加或3D打印的設(shè)計。便于鑄造的拔模傾角，澆冒口都自動設(shè)計得妥妥當(dāng)當(dāng)。即便如此這仍然不能算作是生成式設(shè)計。

拓撲優(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。因此通過拓撲優(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)計應(yīng)該說脫胎于參數(shù)化設(shè)計，其鼻祖是Autodesk。簡單講就是自動重新排列組合設(shè)計參數(shù)，進而生成新的設(shè)計結(jié)果。在這個過程中，很多結(jié)果是不好的，因此需要一個篩選標(biāo)準(zhǔn)，這就是仿真。通過篩選，把好的設(shè)計結(jié)果中所采用的參數(shù)保留下來，作為遺傳基因，與其他的設(shè)計結(jié)果進行重組，這樣會產(chǎn)生若干新的設(shè)計結(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設(shè)計結(jié)果，并列出功能參數(shù)進行對照。生成式設(shè)計的適用面更廣，設(shè)計結(jié)果也更多樣，可以進行多目標(biāo)優(yōu)化。比如設(shè)計一個更加高效的冷卻流道，下圖中左側(cè)兩個分別是參數(shù)優(yōu)化和拓撲優(yōu)化得到的結(jié)果，右邊的則是生成式設(shè)計的優(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)計結(jié)果也會隨之發(fā)生巨大的變化。所以此時去“山寨”單一零件的設(shè)計已經(jīng)變得毫無意義，在這個“基于有限元仿真的生成式AI模型”的加持下，一個原創(chuàng)性企業(yè)可以0成本源源不斷地產(chǎn)生類似的設(shè)計，其設(shè)計成本遠低于逆向（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)讓全人類驚呼夢境世界到來，用生成式AI設(shè)計蛋白質(zhì)去年也取得了重大進展，相信接下來的突破就是設(shè)計新材料特別是有機材料。

對于制造業(yè)來說，產(chǎn)生新的設(shè)計結(jié)果并沒有多大難度，難點在于如何篩選，所以說到底還是仿真。比如下面這個案例，設(shè)計師讓AI自動生成大量的汽車圖片，然后把平面圖轉(zhuǎn)換成點云再轉(zhuǎn)成矢量圖，再運行仿真，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)計革命，其深刻性和影響力將遠大于“工業(yè)4.0”。這就是第四次工業(yè)革命給產(chǎn)品設(shè)計帶來的新方法。

押寶“工業(yè)4.0”讓我們錯失了很多機會

全國鑼鼓喧天搞“工業(yè)4.0”的那幾年也正是生成式設(shè)計開始普及的時候。回到文章開頭的空客的案例，當(dāng)時國內(nèi)的專業(yè)媒體對此幾乎沒有報道，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。因為3D打印被描述為工業(yè)4.0時代的關(guān)鍵技術(shù)，所以小編才會關(guān)注一下。

彼時，西門子在推出了Create/Run myVirtualMachine模塊，并集成在最新的SINUMERIC ONE平臺，從此數(shù)字孿生的基因便深植于西門子的軟件產(chǎn)品。這個功能在機電一體化產(chǎn)品的設(shè)計領(lǐng)域也是革命性的，因為它使“半實物仿真”不再需要機械構(gòu)件，硬件只需要控制器，就可以驅(qū)動數(shù)模的運動。看似運動仿真和組態(tài)軟件也能實現(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)模的控制程序來自硬件PLC或者仿真PLC（SIMIT組件），數(shù)模在運動過程中也會出發(fā)傳感器，仿真的輸入信號同樣通過PLCSim傳給控制器硬件，觸發(fā)PLC硬件里的程序繼續(xù)運行。在這個仿真的環(huán)境下，物理特性也被模擬出來，從視頻里可以看到工件滾落并彈起的動作。這些模擬真實場景的動作有可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)臺夾住，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聽過的一個報告，當(dāng)時這個產(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全集成自動化后最重要的概念在自動化和數(shù)控系統(tǒng)市場里被大書特書。

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企業(yè)絡(luò)繹不絕，但是并沒有深究“數(shù)字孿生”的重要意義。

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

美蘇高科技爭霸已經(jīng)重演

一項技術(shù)如果無法得到大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用，那么這時蘇聯(lián)的計劃經(jīng)濟模式比美國更適合集中力量辦大事。一旦該領(lǐng)域顯現(xiàn)出商業(yè)價值，那么市場的力量就會碾壓式計劃模式。所謂的集中力量辦大事其實就是政府扮演風(fēng)投角色，而風(fēng)險投資一定有失手的時候。

現(xiàn)在回頭看，工業(yè)4.0/智能制造就是押錯了，很多企業(yè)為了拿國家智能制造補貼，把精兵強將都拉出來搞自動化，數(shù)字化，企業(yè)云什么的。卻忽略了最關(guān)鍵的設(shè)計和工藝，工業(yè)4.0方興未艾的10年也許同樣意味著設(shè)計和工藝荒廢了10年。

結(jié)語

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)上相繼搞出了拓撲設(shè)計和生成式設(shè)計。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言模型大戰(zhàn)，未來制造業(yè)企業(yè)的核心競爭力也是數(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)值計算人工智能大模型”。