在智能制造體系架構中，作為先進制造業核心競爭力的源泉，智能研發是其中一個重要環節。就傳統的設計制造業務模式而言，從需求調研、競品分析，市場調研等方面獲取產品設計需求，然后再從概念設計到詳細設計，并將詳細設計方案轉變成可制造的工藝流程和生產流程，最后完成產品的制造過程并對外銷售。從過去產品全生命周期管理的角度來看這種流程沒有什么問題，并且這種串行的研發制造流程也是目前制造企業的主流模式。

但隨著物聯網、工業大數據、增材制造、增強現實等新興技術不斷的涌現并逐步走向成熟應用，這種流程就顯得有些僵化和缺乏靈活性，無法對技術的更新換代和客戶需求做出快速響應，而且也很難適應企業未來智能制造體系建設與發展的需求。

所以企業要想進行智能制造轉型，首先必須要從產品創新根源上做起，將串行研發流程轉變為根據用戶需求持續改進的閉環智能研發流程，感知用戶需求并靈活做出調整，同時融入智能制造相關新興使能技術，形成從用戶到用戶的產品研發循環。即在產品設計需求分析階段就開始進行市場與用戶相關數據分析，這其中包含用戶直接參與基于自身喜好的產品定制過程，以及產品在使用過程中反饋相關運行數據來指導改善原設計方案的過程，形成一個往復循環持續優化的智能研發過程。

該流程體現了設計歷史上從為用戶設計，到幫助用戶設計，到用戶為自己設計的轉變。所以，智能研發必須建立在從設計信息、生產信息、用戶使用及反饋信息的高度智能化集成基礎上，從智能化的需求產生到基礎設計數據獲得的過程，從智能化的用戶參與式設計到能夠直接轉變為生產信息并被執行。要想實現這些轉變，智能研發必須要有以下幾大要素的支撐才能得以實現：

建立統一的多學科協同研發平臺

首先針對智能產品開發一般都是跨越多個專業技術領域和具有多種關鍵技術特征的，涉及多學科跨專業技術領域高度交叉與融合。同時，用戶的多樣化需求也使產品結構和功能變得非常復雜，IT嵌入式軟件技術也逐漸成為產品的核心部分，需要機、電、軟等多個學科的協同配合。

這就需要企業建立一個可以融合企業內部所有不同專業學科領域研發系統和工具的頂層架構，形成一個可以全面管理產品生命周期中所有專業研發要素的統一的多學科協同研發平臺。

平臺除了可以管理各專業圖紙、工藝和材料信息以外，還可以管理產品的功能、性能、質量、指標這些特性類數據及其生成過程，并能集成程序設計與管理、仿真、優化、創新、質量等工具，使研發體系可以快速高效地應用這些工具，從而進行差異性、高性能、高品質的產品智能研發。在這個基礎上，再采用知識工程將企業研發過程中的知識積累下來，形成系列化產品開發的能力。

建立數字化樣機，實現仿真驅動創新

在智能研發階段中，必須要建立產品的數字樣機，用來支持總體設計、結構設計，工藝設計等協同設計工作，支持項目團隊進行并行產品開發。

建立數字樣機的主要作用包括分析數字樣機模型具有正確的公差尺寸，干涉檢查等，同時還有重量特性分析、運動分析和人機功效分析。同時，數字樣機還能夠提供產品裝配分析的數據信息，這包括裝配單元信息、裝配層次信息等，以保證對產品的裝配順序、裝配路徑、裝配時的人機性、裝配工序和工時等進行仿真。數字樣機還可以進行工藝性評估，包括加工方法、加工精度、刀路軌跡等，實現對樣機的CAM仿真和基于三維數字樣機的工藝規劃。

數字樣機在產品的銷售階段也有非常重要的作用，它能夠為產品宣傳提供逼真的動態、靜態產品數據。通過三維模型的輕量化技術，企業可以便捷、靈活的利用原始數字樣機模型為產品培訓提供分解圖、原理圖，還可以提供近似產品的快速變型與派生設計，以滿足市場報價和快速組織投標和生產的需要。

另外，在基于數字化樣機的基礎上，企業還可以建立虛擬樣機進行系統集成和仿真驗證，可以通過仿真減少實物試驗，降低研發成本，縮短研發周期，完成仿真驅動設計。同時還可以將仿真技術與試驗管理結合起來，提高仿真結果的置信度。

圖1 SET**電動輪礦車數字樣機

除此以外，為了保障產品的可靠性，還必須在產品設計的前期就充分考慮工藝規劃、制造、裝配、檢驗、銷售、使用、維修到產品的報廢等產品全生命周期過程中的各項工程要素。利用并行工程和DFX技術，在設計階段盡可能早地針對不同階段中產品的性能、質量、可制造性、可裝配性、可測試性、產品服務和價格等因素進行綜合評估，從而優化產品設計，保障產品質量。

采用標準化、模塊化設計 形成系列化產品開發能力

以用戶為中心的智能研發就必然會面臨用戶需求的多樣性，這就要求企業必須有靈活多變的產品變型設計能力來滿足用戶多樣化的需求，形成系列化產品的開發能力，然而這樣就會直接導致產品設計、工藝、制造各個過程中的數據大量增加。

圖2 柳工集團的輪式裝載機模塊化實踐（來源：顧新建教授產品創新模塊化設計方法與實踐的演講）

在這種狀態下，產品的標準化、模塊化設計就顯得尤為重要，模塊化就是為滿足不同需要，以標準化為基礎，通過分解、集合手段，把復雜系統分解為相互獨立的具有特定功能的標準化模塊，再通過標準的接口把各獨立的模塊聯結為一個完整系統的過程。

企業如果沒有做產品的標準化、模塊化方面的工作，缺乏了基于用戶需求的定制開發能力，就無法形成系列化的產品開發來滿足客戶對產品的多樣化需求以及產品自身生態體系的建設，智能研發也就無從談起。

MBD/MBE 設計信息與生產信息高度集成

MBD（基于模型的定義）可以將制造信息和設計信息（三維尺寸標注及各種制造信息和產品結構信息）共同定義到產品的三維數字化模型中， MBD不僅描述設計幾何信息而且定義了三維產品制造信息和非幾何的管理信息（產品結構、PMI、BOM等），使設計/制造廠之間的信息交換可不完全依賴信息系統的集成而保持有效的連接。MBD打破了設計制造的壁壘，使設計、制造特征能夠方便地被計算機和工程人員解讀，有效地解決了設計/制造一體化的問題。

圖3 基于模型定義MBD

在將MBD模型作為統一的“工程語言”后，就可以進一步推進MBE（基于模型的企業）的應用，使設計模型中包含的數據信息能在工藝、制造環節有效傳遞，只有這樣才能夠使生產制造包括后續的過程實現高度的自動化，使設計信息與生產信息完成高度集成，保障數字樣機和物理樣機中間各個環節的通路。

融合增材制造與拓撲優化技術的創新設計

區別于傳統的經驗式設計模式，經過拓撲優化的產品模型是在給定載荷、工況等約束條件下，滿足性能要求的最優拓撲模型，而且具備輕量化的特點，是一種新型的設計方法。然而，拓撲優化技術只有在不考慮制造工藝約束時才具有更好的效果。因此，盡管工程師們通過拓撲優化方法設計出了結構獨特、高性能的產品模型，但往往因為可制造性問題而舍棄掉產品在輕量化、高性能上的優勢。

圖4 空中客車集團的3D打印摩托車Light Rider

但隨著增材制造技術的出現并逐步走向成熟應用，能夠很好的解決了這一大難題。增材制造技術可以幫助企業按照最理想的結構形式來設計產品，使得產品 “功能性優先”變為可能。因此，增材制造讓拓撲優化技術的價值得以完全的發揮。

可見，這種將拓撲優化與增材制造技術融合的方法也是智能研發中的一個重要實現途徑之一，即通過拓撲優化來確定和去除那些不影響零件剛性部位的材料，并在滿足功能和性能要求的基礎上實現輕量化的創新設計，再利用增材制造技術將這些傳統制造工藝無法實現的復雜結構制造出來，從而實現整個創新過程，并簡化了設計制造整個流程，可以說對傳統制造業而言是個顛覆性的轉變。

應用虛擬現實及增強現實技術的設計評審

虛擬現實和增強現實技術是銜接虛擬產品和真實產品實物之間的橋梁，通過應用虛擬現實和增強現實技術，在產品的初創階段就能夠對產品的設計方案和產品的相關屬性信息進行直觀的展示和體驗，使整個設計評審過程更便捷和有效，同時能夠更直觀的發現設計過程中存在的問題。另外，在虛擬現實環境下，還能夠進行逼真的產品虛擬使用和維修培訓，以及為用戶提供沉浸式體驗，幫助用戶提前感受企業智能產品的獨特魅力。

圖5 虛擬現實應用于汽車設計

建立基于云端的廣域協同研發

在智能研發中，企業的產品和服務將會由單向的技術創新、生產產品和服務體系投放市場，等待客戶體驗，逐步轉變為企業主動與用戶服務的終端接觸，進行良性互動，協同開發產品，技術創新的主體將會轉變為用戶。其創新、意識、需求貫穿生產鏈，影響著設計以及生產的決策。

設計師將會成為在消費端、使用端、生產端之間的匯集各方資源的組織者，不在這個生產鏈巨大網絡下起到推動作用，不再獨立包攬所有的產品創新工作。智能研發將會是基于云端與供應商、合作伙伴、客戶進行協同研發，讓所有人都能夠參與到開放式的創新中來。

作為擁有互聯網基因的協同設計云平臺，OrangeCDS面向工業制造、軟件與信息化、智能生活等主要領域，專注于研發設計大協作，在線匯聚了全球各具專業技能的工業設計師、研發工程師進入智力庫，快速組織開展大規模協同作業，能夠幫助制造企業客戶高效便捷完成工業產品研發設計。

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基于物聯網、大數據的閉環產品研發

有賴于物聯網、云計算技術的發展，通過對產品上安裝傳感器，就可以基于物聯網收集的產品運行數據，對產品進行性能、質量進行實時監控，工程技術人員將更加了解當前產品的軟硬件運行狀況。

圖6 通過增強型虛擬現實技術展現物聯網感知的數據

另外，基于大數據分析和智能優化對搜集到的海量數據進行處理，分析、編程，也可以明確在以往產品研發過程中出現的問題，繼而在下一代產品研發中改進設計，使產品能夠不斷的動態優化來改善用戶的體驗，持續改進產品質量和功能。

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總體來說，實現智能研發是一個復雜而漫長的過程，上述的幾大要素的實施也是一個非常復雜的系統工程。企業除了要建立完善的研發體系以外，還應通過信息化技術實現產品全生命周期中數據流的自動化，以用戶為中心，通過智能研發構造出智能互聯的產品，并形成系列化的產品生態圈，將用戶的需求、使用等信息與產品研發緊密地聯系起來，形成一個閉環持續優化的產品研發及服務體系。