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赵敏:精益研发中的技术创新

2015-1-7 12:50:54

我要分享

各位嘉宾,大家上午好。
 
    我的演讲题目是《精益研发中的技术创新》。我想在座的各位嘉宾都共同的关注我们这样的主题,中国制造业的信息化,也就是说产品的创新数字化这样大的题目。
 
制造业信息化,自从进入新的世纪以来,我个人认为,已经是走在了一个十字路口,什么意思呢?我们回顾一下,十年前我们提倡甩图板,现在图板是甩掉了;然后是CAD二维转三维了,CAD/CAE/CAM也集成了,PDM和ERP也都实施过了,OA和EB等等都实施了。那么,制造业信息化的下一步要做什么?就我个人观察而言,最近的20多年,在中国的制造业信息化的发展,也一直在经历这样的阶段,我们从过去的串行设计——“基于图纸,以图纸为基础,以样件为驱动的研发流程”,发展到“以三维设计为基础,以仿真为驱动”的并行协同方式,实现了“产品快速上市”,逐渐地过渡到了现在的“产品正确上市”,以及现在所需要强调的“产品增值上市”。要实现“产品增值上市”,必须获得高额的产品附加值,必须有效地降低成本,而这些都必须依赖技术创新才能实现。

    制造业的信息化技术应该是精益研发的技术,所谓的精益研发是基于质量管理、注重技术创新、支持工程仿真与产品优化的企业级的数字化样机开发环境,这是精益研发的基本定义,给客户带来的价值是更高的产品附加值和更低的成本,这是通过产品的不断优化形成的。
 
    我们看一下在世纪之交,一位名人的预言,在(上个世纪)50-60年代,我们追求工作效率;在70-80年代我们追求产品质量;在80-90年代,我们追求企业柔性;如今,我们生活在创新的年代。这个时代终于来临了。作为产品创新的源头主要要解决的问题是生成概念,生成概念有两个含义:第一个含义是指概念设计,如果没有概念设计的话,原始创新无从谈起。我想这是一个比较重要的问题——今天我们用很多的CAD软件,但是CAD技术都还没有走到这个阶段,即生成设计概念,CAD只能做到表达设计概念。还有一个含义是,即使研发走到了详细的生产阶段、装配阶段或者使用维护阶段,仍然是有很多的问题需要解决,例如解决研发问题当中这样、那样的概念是怎么来的?仍然需要我们研究,是产品创新的整个源头。
 
    概念设计对产品的性能、研制成本和周期的影响是很大的,是不用多言的,在20多年前,美国的国家科学基金会就提出了,产品的性能与成本的70%是由概念设计阶段决定的。我们对于概念设计的缺失和概念生成的方法的缺失,是导致了我们目前从“中国制造”无法走到“中国创造”的阶段的主要原因。我们现在能用的传统的概念设计手段,主要是以实物对比发、功能分析法、形态学矩阵法等等,问题实在无法解决了,我们就开一些会议讨论,搞一点人海战术或者科技大会战等等。过去这样做并没有错,但是,由于我们缺乏有效的方法学和知识,我们的科研人员是很辛苦,只能是不断地猜想,不断地试错,对于寻找原始创新、集成创新和吸收、引进、消化再创新所需要的宝贵的设计研发方向如同是大海捞针。
 
    为什么我们提出“概念样机”的概念呢?原来的概念的原形出来的时候,是物理样机;后来有了CAD技术的时候,又有了虚拟样机,这是现在比较流行的研发模式;未来我们严重缺乏有效的产品改进的概念和生成的手段,因此我们急需“概念样机”,后面我会讲什么是概念样机。产品的创新设计、精益研发不能是无源之水。我们缺乏有效的概念的注入和原始的知识的积累。我们现在研发,多半是凭借测绘和仿制,凭经验设计,试错法,折衷与妥协的设计,头脑风暴法等等,还有,那种认为查一查手册、抄一抄图纸就可以做设计的时代已经一去不复返了。
 
    我们可以看一下,当今制造业的信息化的套件和整体解决方案等,是怎样在一些方面或者整体的解决问题的。我们看到CAD解决的问题,是借助数字化技术完成产品建模,表达几何意义上的“产品”,但是做得再好,也只能产生产品几何概念的表达,不能生成概念,产品改进的概念是要靠人去思考的。因此,CAD工具再好,但是不懂专业的人,或者是没有研发经验的人是解决不了问题的,因为是靠人生成研发的概念。仅靠CAD做创新的话,创新的几率是比较低的,不是说不能创新,而是机率很低,这样是靠人去想,想得出来就有,想不出来就没有了。并没有带来根本性的问题解决。
 
    CAE所解决的问题,是借助数字化技术完成产品工程分析,表达力学意义上的“产品”定义。通过应力分析,模态分析、流体分析,电磁兼容等等,重点是产品工程仿真概念的表达,即在给定的产品概念下,把产品做到最优,但是不能把原来的概念颠覆掉。这已经是很不错了,对于产品创新有一定的、或者是相当的促进作用。但是概念生成的问题仍然没有解决。
 
    再看看我们所熟知的信息管理的平台,如PDM,我个人在十多年前就研究PDM,后来研究PLM。PDM很好地解决了详细设计阶段的产品数据管理的问题,对创新有一定的或者说是相当的促进作用,但是在PDM中是看不到对于创意、经验、KhowHow的管理。我们看一看今天大会的主题,就是“创新从创意开始”,没有对创意、经验、KhowHow这些的信息管理,对概念设计是无法支持的。PDM管理的全是CAD、CAE、CAM的生成的结果,这里是找不到这样的创意知识的,即遇到了什么问题该用什么方法来解决,这是最关键的、面向研发的创新的知识,PDM它是没有的。同时,由于缺乏对于专利知识、缺乏对创新方法的集成和运用,因此CAI的就有了存在的充分的理由。指出这几点就够了。我们可以看到,PDM对于概念生成的问题仍然没有解决。
 
    在精益研发的阶段,CAI(计算机辅助创新),已经为解决这个概念问题做了很好的尝试,有了初步的成果。CAI是将发明问题解决理论、本体论、现代设计方法学、语义处理技术与计算机软件技术融为一体的一门高技术。在最近的七、八年由国外兴起,最近的两三年在国内趋于成熟。今后不仅仅是有CAD、CAM、CAE、CAPP等这些CAX套件,还有CAI这样的概念生成的平台加入其中。CAI对于企业的产品可以起到的作用是,生成具有突破意义的定性方案和促进原始的技术基础,这是精益研发平台技术中的重要组成部分。
 
    技术创新是一个运用知识和方法进行创造性活动的技术过程,基于知识的创新是实现对知识的融会贯通,增值利用;还有基于方法的创新,强调对创新的原理、进化法则、解题工具的运用。
 
    亿维讯在精益研发中的CAI解决方案有两个,一个是我们的Pro/Innovator软件产品协助企业进行技术攻关、知识管理,获得突破性的定性的解决问题的概念;第二个是创新能力的拓展平台CBT/NOBA,是可以协助企业和高校进行创新人才的培养与训练。
 
    基于知识和方法的创新平台的解题流程是:我们输入的是客户的具体的研发问题,输出的是对于解决实际问题有启发意义的方案。因此其作用体现在分析问题、解决问题和方案评价上。这里我重点说一下分析问题和解决问题。
 
    对于CAI的基本的组成定义,是由两块基石组成,第一个是方法,以TRIZ为核心的创新理论,体现了人类解决问题、实现创新的共性知识和智慧,反映了自然界创新的客观规律。创新是有规律的,请大家记住这一点。
 
    另一点是体现在企业创新知识的组织上,实现创新知识的有效的获取、组织、表达、检索、利用等知识管理的基础之上,基于本体论把知识串联起来,后面会具体地讲这一块。最后是组成了这样一个新的CAX的成员——CAI。
 
    对一个问题的好的分析定位,是解决问题的良好的开端和起点。在概念设计方面,我们可以进行技术系统的分析,这种分析通过建立“功能模型”来实现。大家可以看到这个图是对我们遇到的某企业的柴油机管路震动需要解决的问题,是大功率的柴油机车需要解决的问题,曾经困扰了客户很长时间,最后是我们一起与客户解决了。这个系统分析图大家看起来是很新鲜的,过去大家看的图满眼看到的都是尺寸,像一个真的机器,那是详细设计,我们现在是只用一个方块来表示某个零部件,各个方块彼此之间是怎样的作用的,这是基于TRIZ中的能量流的传递理论、系统完备性法则以及物质-场理论来做的,最后是生成这样的一张图,意在进行定性地描述工程问题。
 
    利用这个功能模型图,还可以进行专利的破解。有人觉得是专利已经形成了壁垒,就过不去了,其实,在全世界的专利保护中,保护的只是其中的百分之几,并不是一个专利的所有内容都全部保护的。利用我们的CAI软件把系统分析做出来之后,我们可以把功能模型图中两个方块合并起来,或者去掉一个,或者让彼此的作用反向,总之,只要系统实现的原理有一点变更的话,就可以破解掉这个专利了,你就可以按照新的实现机理申请让它成为你的专利了。所以说,面对专利壁垒的时候,我们有很多种的办法,CAI是有效的破解专利的利器。
 
    当我们遇到复杂问题的时候,比如说,机器振动了,过热了,我们很容易采取的做法是头痛医头,脚痛医脚,马上就想去加减振设备,去采用风冷和水冷的做法,最后也没有搞清楚问题的实质是什么。实际上对这种初始问题的分析,是把初始的问题摆在那里,再用这种RCA、也就是根本原因分析法,帮助你有效地分析问题,一步步的定位问题,查找解决问题的资源。可能会有十几个原因,但是发现其中一两最主要的问题解决了之后,其她所有的问题都迎刃而解。
 
    发明创新的解决问题,一个是基于知识,一个是基于方法,先讲这个基于方法的创新。以TRIZ为核心的创新方法,是创新的思维、方法与工具的统合称法。目前,科技部已经指定了亿维讯为推动创新方法的支撑单位,大家可以看最近的《科技日报》,有不少的相关论述,从政府官员到国家领导人都非常关注创新方法的研究与推广应用。在概念设计方面,如何创新性、创造性的解决问题,基于方法学我们可以看到,基于人类解决问题的共同的解决问题的思路。创新是有规律的,后面有详细的介绍。
 
    创新是有规律的,从古至今,我们一直无意识地在按照创新有规律办事,只是没有把它完全地总结出来,我最近正在写一本书,主要就是说这个问题的。我通过研究发现TRIZ中的很多规律在数千年到数百年以前都已经被中国人实践过了。也许俄罗斯人就这样的特性,善于分析和总结归纳,因此由这个阿奇舒勒创立了TRIZ理论。TRIZ被看作是前苏联的国术和点金术。它主要说明了发明创新过程背后所遵循的科学原理和法则,是一种创新的方法学的知识。有了创新的科学原理与法则之后,就可以定向地思考,就可以速度很快地解决问题,就可以避免少慢差费的创新方式。
 
    下面再讲创新的级别问题,前面祁教授也提到了创新的几个层面:常识解决常见问题,大概占到了创新比例的32%;大概利用行业内已知方法解决问题,大概是45%;利用其它领域的知识解决本领域的问题是很不容易的,大概是18%,属于学科交叉和知识融合;发明新的原理来执行原有系统的主要功能,大约占4%;而作为科学发现级的创新,是50年到100多年才能遇到一次的,只占1%。因此我们可以很有信心的看到,95%的问题都可以依靠已有的知识体系来解决,因此创新并不是高不可攀的事情。
 
    TRIZ的方式,是让大家不必很辛苦的用试错的方式来解决。试错法是在没有研发方向的时候,要反复实验、摸索之后,绕了很多的弯路,突然有一天获得了某种解决的方案,但是还未必这是最佳的解决方案。因此TRIZ解决问题的方式这是一个比较好的思路。
 
    什么是TRIZ的工具,大家看到,当我们遇到数学问题时,用一个简单的乘法口诀表就可以解决问题,这就是工具。在TRIZ里面,当我们遇到技术矛盾的时候,我们可以采用矛盾矩阵表来解决;当我们遇到物理的矛盾,可以用分离的方法来解决;当我们遇到功能化模型的时候,我们可以用知识库的方案来解决;当我们遇到物质-场的模型,可以用标准解系统而得到76个标准解之一来解决问题。利用TRIZ的方式来进行解决问题的思路,获得解决方案变得非常地容易了。
 
    大家可以看一看,比如说我们经常遇到的运动物体的重量和速度之间的矛盾。这个矛盾在旧石器时代的时候就存在,比如,古人狩猎的时候用石头制成的砍砸器来投掷猎物,砍砸器出手的速度和砍砸器本身的重量之间就是这个矛盾;到今天发射火箭的速度和有效载荷的重量之间,仍然是这个矛盾。在不同的时代,矛盾又反复发生了,解决这个矛盾的思路和方法也是相同的。这就是一个规律。
 
    解决的办法也很简单,采用阿奇舒勒的矛盾矩阵表,它会给出3-4个可能解,你就这里面去找解决方案,别的你就不用去试错了。这种方式最大限度地避免了你一个个去试错,大大地节省了解决问题所需要消耗的人力、财力、物力。阿奇舒勒的矛盾矩阵表涵盖了1250多个工程的矛盾(也就是问题),广泛的适用于泛制造业。
 
  创新的客观规律,是技术系统必须遵循的进化规律。阿棋舒勒发现,技术系统是进化的,而且必须符合进化的八个法则。例如技术系统的进化必须符合“动态性”法则,即从刚性系统,逐步过渡到单铰接、多铰接、柔性、液气状态,最后到场。大家看图中所展示的计算机键盘就是一路这样进化而来的。这是以色列一家开发的虚拟键盘,通过激光束而形成光影的键盘,再通过红外感应就可以输入信息了,这是第四级的发明,完全的颠覆了我们对原来的物理键盘的形状的理解。还有传统的S曲线,这些都是产品的进化过程当中必须遵循的规律。TRIZ给出的是收敛的创新结果。可以很规律地引导你的思路。
 
   知识的创新的源泉,我们的Pro/Innovator软件还适用于企业知识管理。在软件当中可以提供1万多条的知识,即什么问题,我们怎样描述,怎样解决的,可以提供业界最优秀的、启发性的解决问题的方案。第二种是获取企业外部的知识,充分利用专利知识,可以获取前人的智慧与创意。第三我们还可以让客户在知识库中添加自己的知识,实现对企业的内部知识进行有效的管理。
 
   本体论是进行有效的知识组织,进而高效地应用的先进技术。这就是我们看到的本体论中的应用,本体关系等于“概念+关系”,这个图显示的是知识和概念中彼此的联系,这一条条相互联系的链条就是知识链。本体论加上TRIZ就形成了现代创新方法学的模式。知识管理需要做的事情,就是对于知识的产生、处理、表达、组织、共享、检索、应用等一系列的活动的总和。我们在Pro/Innovator这个软件中,进行有效的知识表达,阿棋舒勒已经证明,95%的已知知识系统都可以用来解决创新问题。外部知识的内化和内部知识的组织化、产品化等等,还是按照这样的模式来实现。
 
   作为创新之道来讲,作为产品的完整的生命周期之中,CAI是可以贯穿在整个流程之中。这是详细设计阶段的知识,是物化知识,放在产品知识库中;作为CAI管理的是非物化的知识,以创新知识库形式来体现。知识可以从因特网上获取,从企业的有经验的能人、专家中去挖掘,让我们的中青年团队来学习、继承、共享,最后是形成这样的智力资产的转化——从无形资产转化到可交付的物理资产。
 
    因此,现在我就来回答我在讲座一开始提出的问题——制造业信息化下一步要解决什么问题,要建立企业级的精益研发平台,即要注重技术创新,注重企业的协同仿真,强调研发质量管理。精益研发中的技术创新实现可以依靠CAI,依靠基于知识管理和基于创新方法的创新技术来实现。
 
    亿维讯经过国内十多年的发展,有不少的客户,包括企业和高校等,在这里跟大家分享一下。我的讲座就到这里,谢谢大家!

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中国发明协会发明方法研究分会是中国发明协会五个下设的分支机构之一。中国发明协会发明方法研究分会是中国专业从事以TRIZ发明方法为核心的发明方法研究、实践与推广组织。本分会的业务范围如下:(一) 对TRIZ发明方法进行深入研究,与国际TRIZ学术界接轨;(二) 以咨询式服务推动TRIZ在企业的深化应用,解决企业实际技术难题;(三) 开展基于发明方法的发明能力认证培训,颁发培训结业证书以及发明能力资格认证证书;(四) 不定期主办与TRIZ相关的研讨会、主题论坛、应用交流活动。中