在《研發數字化轉型三級跳》一文中，我們將研發數字化轉型建設路線規劃為“三級跳”，正向變革是第二跳，這一跳的目標是讓設計范式從逆向工程走向正向設計。

【資料圖】

中國已經進入中等收入社會，要素驅動向創新驅動轉變是跨越“中等收入陷阱”的必由之路，因此，以研發創新為使命的正向設計勢在必行。無論是國家宏觀層面、行業（集團）細觀層面還是企業微觀層面，迫切需要從跟蹤仿制向自主創新轉變，在核心技術上實現獨立也是工業產業和軍事安全的根本保障。“堅持把創新擺在制造業發展全局的核心位置，走創新驅動的發展道路”，已確定為我國的一項國策。

跟隨仿制模式已經完成了歷史使命，逐漸成為企業發展的瓶頸。但目前，我國大多數工業企業只具備逆向設計（即模仿）能力。設計過程從測繪、復原和仿制的物理設計開始，沒有經歷過產品正向設計中的需求定義、功能分解、系統綜合等真正決定產品功能和性能的重要階段。而跟蹤研仿最多只能研制出最好的二流產品。

相比歐美發達國家，中國還僅僅是制造大國而非制造強國。強國戰略要求企業從數量大、質量不高、科技含量不高的低端制造向高技術附加值的高端制造發展，要求企業實施精品戰略，研制一流產品。唯有自主創新才能超越對手，自主創新的關鍵就是要建立基于系統工程的正向設計體系。

正向設計階段是研發模式進行精益轉型后，企業的主要矛盾發生變化，從研發模式的低效和資源松散轉變為創新模式和技術能力的缺乏，本階段亟需創立正向模式，補強創新能力。

正向設計的主驅動力是模型。模型讓研發全過程可以在數字化平臺中完成，不需要離開數字世界。在消除二義性、減少質量隱患、高效協同和積累成果方面，這種模式都有無與倫比的優勢。

正向變革階段的核心手段是模型工程，對模型的規范化開發、集成和應用，一直貫穿其始終。正向變革的過程就是由一系列基于模型的工程構成。模型積累越多，正向模式越強壯。每個階段的模型可以有不同特征，但模型間的邏輯關系和換算關系必須是完整和全息的。這種模式需要預先一次性完整定義全生命周期的數據結構和表達模型，并體現各階段和各維度的所有數據的特征。不同階段和不同維度的模型是完整模型的一個子集。

正向變革的本質其實是研發知識利用方式的第二次轉型——治化，通過模型化過程對產品知識進行嚴格治理，將其濃縮凝聚在一起，形成更為邏輯化和自動化的知識。

在《正向設計為何姍姍來遲》一文中，我們討論了正向設計和逆向工程的重大差異，并指出正向設計的五個能級。

正向設計表現為一個完整的“V”字模型，從涉眾需求開始，經過需求定義、功能分解、系統綜合、物理設計、工藝設計、產品試制、部件驗證、系統集成、系統驗證、系統確認、產品驗收全過程，完全用數字化模型表達產品的所有信息。如圖1（左）所示。

但通常來說，企業發展歷程都會經歷一個逆向工程過程。產品設計起始點不是涉眾需求，而是從V模型中間某個點開始。“物理設計”是中國企業的常見起點。本模式仿照已經存在的產品，完成圖紙繪制，進入試制和驗證各階段，完成產品交付或推向市場。V模型的右邊出現問題時，由于沒有左邊可對應，所以只能回溯到前一階段查詢和解決問題。當回溯到物理設計階段仍然解決不了問題時，那就成為永遠的問題。清醒的企業會有意識地“補課”，研究物理設計之前的各個過程，以圖追溯和還原仿制對象的本源。當然，這樣只能還原部分本源。以上過程我們稱為“逆向工程”， 如圖1（右）所示。

圖1基于V模型的正向設計和逆向工程

逆向工程只能讓我們知其然但不知其所以然，正向設計才能讓我們知其然并知其所以然。

依據產品設計的起點可以評判一家企業的設計能力。從V模型的哪個階段入手設計產品，基本可以斷定該企業的設計能力就是這個起點所對應的能級。這樣，可以把企業設計能級（成熟度）分為五級：仿制級、逆向級、系統級、正向級和自由級，如圖2所示。

圖2設計入手點決定企業能級高低

一家企業的設計能級不應該取決于其產品看上去的復雜度，或者企業的產值大小，或者人員數量和學歷的高低，而是應該取決于其設計的入手點。這一般可以通過其產品所涉及的圖紙來做出判斷。如果其產品圖紙只有工程圖（二維圖紙或者三維CAD模型），那基本可以認為是逆向級，如果具有完備系統設計圖、系統架構圖，基本可以判斷為正向級。如果具有完備的技術需求及指標體系分解樹，甚至可以用需求模型圖來表達技術需求，基本可以認為到達自由級。

在正向設計體系建設過程中，將利用先進的創新方法、設計和仿真技術提升產品的性能，實現從跟蹤研仿向自主創新的轉變。正如前文所言，正向變革的驅動力是模型，模型工程是其核心手段。正向變革的過程就是一系列基于模型的工程的執行過程，如圖3所示。

圖3正向變革中的基于模型的工程

1)基于模型的系統工程（MBSE）

系統設計與仿真是其核心技術，打造從需求出發的基于模型的系統設計體系和能力，可以基于模型完成需求定義與指標分析、邏輯分解與功能分析、系統綜合和架構設計以及系統仿真等工作。建立基于MBSE的系統開發體系，構建一個基于模型的系統研制環境，解決以前基于文檔的落后設計模式所存在的各種問題。

2)基于模型的物理設計與仿真

CAD和CAE是其核心，使用圖形學技術進行幾何建模是CAD的基本過程。利用網格技術進行符合物理學原理的模型化是工程仿真（CAE）過程的基本過程。當然，仿真過程的復雜性，需要建立綜合仿真能力體系，以實現仿真驅動研發的理想，包括建立仿真流程模型、制定模型化標準、開發基于模型的仿真平臺等。

3)基于模型的定義（MBD）

傳統的產品定義技術主要以工程圖為主，通過專業的繪圖反映出產品的幾何結構及制造要求，實現設計和制造信息的共享與傳遞。基于模型的定義（MBD: Model Based Defination）以全新的方式定義產品，改變了傳統的信息授權模式。它以三維產品模型為核心，將產品設計信息與制造要求共同定義到該數字化模型中，通過對三維產品制造信息和非幾何管理信息的定義，實現更高層次的設計制造一體化。

4)基于模型的數字化制造

增材制造（又稱3D打?。┦菙底只圃斓幕炯夹g，是以數字模型為基礎，將材料逐層堆積制造出實體物品的新興制造技術，將對傳統的工藝流程、生產線、工廠模式、產業鏈組合產生深刻影響，是制造業有代表性的顛覆性技術。增材制造（3D打印）技術作為具有前沿性、先導性的新興智能制造技術，正在使傳統生產方式和生產工藝發生深刻變革，被認為是推動新一輪工業革命的原動力，引起了世界各國的廣泛關注。

5)基于模型的數字化試驗

包括實物試驗管理和數字試驗體系。試驗管理是對實物試驗過程和數據的管理，強調對試驗數據資產的保護。數字試驗是用數字模型和仿真手段提升試驗的有效性，促進實物試驗的規劃、目標設計、過程設計、過程操作和結果分析，將試驗擴展到實物試驗所不能達到的范圍。

6)基于模型的產品平臺

產品平臺是企業的系列產品所采用的共同技術要素的集合。這些共同要素也稱通用模塊或模塊（CBB：Common Building Block），包括共用的系統架構、子系統、模塊/組件、關鍵零件、核心技術等等。產品平臺可以幫助企業實現快速產品設計，并促進核心技術持續提升。

這一系列基于模型的工程將完成基于模型的正向研發體系建設，包括設計流程、方法、工具等建設，并進行相應組織的優化和變革。建設完成的成果將集成進入基于模型的正向研發平臺，如圖4所示。

圖4基于模型的正向研發平臺

擁有二十多年研發、技術、管理與咨詢經歷，為近百家企業提供研發體系規劃、建設和研發信息化咨詢，是中國航空三大主機所、船舶工業某研究院、中國中車等企業的精益研發、知識工程、仿真體系建設項目總設計師，著有工業與智能制造熱門圖書《精益研發2.0》、《知識工程2.0》、《制造業知識工程》和《苦旅尋真》