【高端制造】产品研发信息化助力制造业发展升级

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产品研发信息化助力制造业发展升级

中国航空工业发展研究中心 刘文胜 王鹏
　　
　　党的“十六大”提出“以信息化带动工业化，以工业化促进信息化”。制造业信息化是国家信息化的重要组成部分，是制造业领域全面深入地利用信息技术，开发利用制造业资源，推动制造业改革与发展的历史进程。以多学科集成、CAD、CAE、TDM、MRO一体化为基础的产品研发信息化普及是工业现代化的重要标志，已成为我国制造业发展的迫切要求。
　　
　　一、 制造业信息化宏观背景
　　
　　1.1制造业发展得到国家政策大力支持
　　
　　中国制造业经过60年发展，已具备了相当的制造能力，形成了一定的产业体系，但在高端复杂产品研发领域仍比较薄弱，长期依赖进口，自主创新能力不足已成为各行业产业升级的主要瓶颈。2006年，出台《国务院关于加快振兴装备制造业的若干意见》（以下简称《意见》）；同年，发布《国家中长期和技术发展规划纲要（2006-2020年）》。2009年，在经济危机弥漫之际及时发布《装备制造业调整和振兴规划》。2010年在国务院颁布的《关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》中将高端装备制造业确定为七大新兴战略产业之一，高端装备制造业被提升到支柱产业的高度。2006年，出台的《意见》明确了振兴装备制造业的工作方向，其中“以科技进步为支撑，大力提高装备制造企业的自主研发能力”成为关注重点。这些政策体现出国家发展装备制造业的战略意图与重点。
　　
　　1.2中国制造业已面临信息化转型
　　
　　中国是世界制造业的中心今天已不容置疑。据联合国工业发展组织估算，2009年，中国将占有全球制造业11.783万亿美元增加值的17%，超过美国所占有的16%。其中中国制造业有172类产品产量居世界第一位，世界70%的玩具，50%的电话、鞋，超过1/3的彩电、箱包等都产自中国，制造业更吸引了大部分外资。但一个不容忽视的现象是，中国制造业仍处于世界制造业产业链的中下游，其国际地位主要体现在总量上，而在质量上与发达国家仍存在一定的差距。尤其是金融危机爆发以后，这种劣势展现的更加明显，尤其是一些附加值很高的复杂产品，差距更是明显。
　　
　　IDC于2008年发布的《中国制造业白皮书》中，将中国制造业经历的路程划分为三个阶段，即：凭借劳动力成本低获得竞争优势阶段；通过采用先进的机械及设备实现工业化的阶段；通过采用信息技术实现信息化的阶段。其中前两个阶段在于保持低成本优势，而第三个阶段是为了实现世界级的卓越制造。信息化将通过产品和商业模式创新来协助企业将扩展重点转向“知识”工作，从而实现运营创新和业务增长。
　　
　　有关专家认为，从中国制造业发展环境分析，以往的核心竞争力是拥有低劳动力成本优势，而目前这种优势正在衰退。加之各种原材料、能源价格的不断上涨，成本优势更加面临被遗失殆尽的危险。此外，全民环保意识的提升，以及知识产权保护的加强，更加对原有的中国制造业企业提出了挑战。
　　
　　在这种大的环境下，中国制造业企业如何避免兴盛一时的工厂纷纷转移至其他国家地区，而出现产业空壳化危机呢？在成本优势后期，如何转型建立新的核心竞争力呢？这些都无疑中国制造业提出了信息化转型的信号。
　　
　　1.3软件厂商正迎来巨大机遇
　　
　　近年来在自主创新的国策背景下，我国制造业特别是装备制造业发展速度加快，企业产品研发投入持续增长，对产品研发信息化产生巨大的市场需求，产品研发信息化市场容量和服务提供者数量都保持较快增长，其服务的内容和方式不断创新，同时随着相关行业促进政策和监管体系的逐步完善，中国产品研发信息化市场发展必将迎来更大的历史发展机遇。中国制造业向信息化转型，也给产品研发信息化领域的软件厂商提供了巨大的机遇。
　　
　　二、 产品研发信息化行业的发展阶段
　　
　　2.1产品研发信息化含义
　　
　　产品的研发有高端技术密集、开发难度大、协作面广、多批次、周期长等特点，是一项高度复杂的系统工程，以复杂产品新型号研制为例，通常包括设计、仿真（虚拟样机）和试验（物理样机）和保障等阶段：
　　
　　设计阶段涵盖总体、分系统和部件多个层次，涉及气动、结构、控制等多个学科，需要根据各学科之间相互联系、相互制约的关系，考虑成百上千个设计变量、目标、工程约束条件，进行大量的方案对比，不断地进行设计循环，以最终确定设计方案。这些特点决定了支持复杂产品研制的设计平台必须是一个高度集成、高度灵活和多层次的复杂系统。
　　
　　仿真阶段主要用于复杂产品研制的顶层虚拟验证，采用数字化虚拟样机技术，结合仿真工具软件，进行产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计，主要目的是极早暴露设计缺陷，减少物理样机、物理试验，加速产品研制。
　　
　　试验验证是确保产品实际性能指标最重要的手段，需要对复杂产品总体、分系统和各组部件各方面的性能进行复杂的试验获得设计验证的有效数据。通常这些试验具有测试系统结构复杂、测量参数多、测试设备种类繁杂、试验时间跨度大、试验成本高、试验协作面广、试验调配难等特点。
　　
　　综合保障是为满足复杂产品服役阶段完好性要求，降低寿命周期费用，综合考虑复杂产品的保障问题，改善和提升装备综合保障性，实现低值、高效、全面、优质的装备全寿命周期综合保障目标的一系列业务。综合保障覆盖保障性设计、训练保障、出版物、技术支援、维修工程、包装贮运和备件、供应链控制等诸多方面。
　　
　　因此，产品研发信息化定义为：以产品核心竞争力为总目标、以多学科数据共享和业务协同为技术途径、以创新的产品研发专业技术和高速发展的信息化技术为手段，贯穿产品设计、系统仿真、试验验证、四性一体化保障等环节的研发信息化软硬件整体解决方案，是开展产品研发工作的高效信息化作业平台。
　　
　　2.2产品研发信息化的作用
　　
　　产品研发信息化是技术创新的工具，可以帮助企业拥有更高的研发协同能力，整合并高效应用现有资源，缩短新产品上市时间、提高产品技术附加值、降低研发成本、提高产品质量，全面推动产品研发协同创新。
　　
　　在制造业信息化领域，在整个产品生命周期中，在产品研发过程中可以预先发现和排除60%的错误，大幅度降低成本。

　　
　　产品研发中设计仿真、试验测试和综合保障为制造提供专业技术服务，处于制造业产业链的最上游，它们决定了产品的技术规格与重大指标，也在一定程度上决定了产品的建造成本。
　　
　　2.3产品研发信息化发展历程
　　
　　从支撑平台技术上的角度，产品研发信息化大致经历了三个发展阶段:单机模式、文件服务器模式、客户机/服务器(C/S)模式。今天Internet的发展将使产品研发信息化由客户/服务器模式向基于Internet的B/S计算模式转变，实现业务应用同技术体系的分离，使产品研发信息化呈现出网络化的发展趋势；
　　
　　从应用角度，现有的产品研发信息化大致可分为三个发展阶段：研发工具阶段、研发数据管理平台阶段，目前将步入以产品集成研发平台阶段。
　　
　　产品研发信息化已不再是单一的技术与产品，而是在充分了解用户需求的基础上，融合应用计算机技术、网络技术、通信技术、CAD、CAE、EDA、TDM和MRO技术的相关产品及协同平台的整体解决方案。同时，装备制造业对研发平台强调高技术、高可靠性、高稳定性，同时使用者自身也具有相当高的IT应用水平，这就对供应商的行业应用知识、系统方案设计、产品集成和应用开发、工程实施及专业服务等能力提出了很高的要求。
　　
　　三、 产品研发信息化市场状况
　　
　　3.1产品研发信息化市场规模
　　
　　从20世纪90年代起，制造业复杂产品的设计、生产、使用和维修保养已逐渐成为工业发达国家GDP的主要贡献因素。1994年，英国复杂产品系统产值高达680亿英镑，占当年GDP的11．9％。美国1991年宇航工业产值为1500亿美元，是当年全球半导体工业产值的两倍。美国在复杂产品系统方面的优势保证了美国经济连续数年持续增长。
　　
　　研究表明2010年全球产品研发信息化市场规模为1502亿元，预计年投资增长幅度为12％。根据国家统计局发布的《2011年工业企业科技活动统计资料》显示，我国制造业每年投入7053亿元新产品的研究开发，其中我国装备制造业每年投资3523亿元，国内各个行业的工程技术中心、研究中心、研究所、试验基地总数达到数万家，分布在航空、航天、船舶、电子、核工业、兵器、电子、汽车、机车、电信、电力、机械、专用设备、仪器仪表等广泛行业。中国产品研发信息化市场占全球市场的5.21％，达到80亿元，年均复合增长率为18.5％，其中，中国装备制造业产品研发信息化市场为80亿元，年均复合增长率为20.5％，预计2015年中国产品研发信息化市场将达到186亿规模，其中装备制造业产品研发信息化市场的所占比例将提高到71%。

　　
　　图表1市场数据图（单位：亿元）
　　
　　3.2重点行业产品研发信息化软件需求分析
　　
　　经过多年的推广，国内产品研发信息化已在众多行业得到了应用，特别是我国装备制造行业：航空、航天、船舶、兵器、电子、核工业、汽车等重点应用行业，目前占我国产品研发信息化市场65%以上。由于我国高端装备制造目前正处于快速发展时期，任务重、要求高，能否短周期、高质量完成产品研发任务已经成为企业面临的主要挑战，这种挑战正在对企业的核心能力提出更高的要求。高端装备制造产品研发具备“客户需求复杂、工作原理复杂、技术基础复杂、结构组成复杂”特点，往往需要综合多个学科的专业知识、依据多年实践总结的业务流程、运用专业研发工具、遵循专业研发规范、参考计算/试验历史数据，进行包括总体方案设计、部件/子系统原理设计、详细设计和虚拟样机分析仿真等一系列跨越多个专业的复杂工作，并以此为基础完成设计、仿真、试制、试验、定型、生产、维护等过程，急迫需要普及应用产品研发信息化。
　　
　　3.3产品研发信息化竞争格局分析
　　
　　全球产品研发软件市场从60年代开始起步，从各种工具软件开始，解决产品研发过程中所遇到的各种问题，涌现出许多著名的国际公司，如PTC、西门子、达索、ANSY、欧特克、LMS等，2011年最终用户营业额达到1502亿人民币。覆盖了航空、航天、汽车、电子、能源、冶金、船舶等各个行业。
　　
　　随着产品研发的深入，对产品研发过程的业务运行、数据管理和项目管理要求越来越高，20世纪90年代，产品研发信息化软件平台开始在航空、航天、汽车、船舶等大型装备制造企业中开始广泛应用，现在已经覆盖了大部分大中型装备制造行业企业。产品研发信息化软件对产品研发的深入起到了巨大的推动作用，由此可见市场容量巨大，极具行业发展前景。
　　
　　二十一世纪，产品研发进入了一个新的阶段，对产品研发的过程提出了许多新的要求，如何能做到真正的产品协同研发？在产品研发阶段综合考虑设计、仿真、试验、综保等各因素并在短时间内研发出创新的产品？如何保证产品的高质量、高可靠性？如何在新的创新模式下，实现产品设计的流程化、规范化、知识化？产品研发信息化行业面临巨大挑战，国内涌现了一批知名的创新企业，如安士亚太、CAXA、瑞风协同、神舟软件等少数公司经过多年的耕耘也开始脱颖而出。
　　
　　四、 产品研发信息化技术发展趋势分析
　　
　　新时代产品研发信息化必须支持企业适应全球化竞争管理模式的变革，并采用最新的信息技术。它呈现出数字化、敏捷化、集成化、智能化、柔性化、行业化的特点。
　　
　　数字化：信息技术的飞速发展，使人类步入数字化知识经济时代。产品研发信息化必须实现对企业组织、业务流程、计划、协调、监控、服务、设计、仿真、试验、检验、保障等各类研发活动和管理方法的数字化，包括各类信息资源的数字化；应用计算机、通讯、网络、多媒体等数字化支撑工具和数字化管理技术来实现企业管理模式的变革及解决企业的各类管理问题。
　　
　　敏捷化：二十一世纪的世界市场竞争将发展到以客户为中心的敏捷化研发制造体系间的竞争，这就要求企业具有敏捷性，能够在全球范围内组织研发和生产，快速创造新产品和响应市场，从而赢得市场竞争。可以预见，基于制造企业合作的全球化制造体系与敏捷虚拟企业的管理模式将是未来管理技术的核心。敏捷化产品研发信息化软件平台支持敏捷化企业的组织形式??动态联盟；支持敏捷企业管理方式??以团队为核心的扁平化组织结构方式；支持敏捷企业的工作方式??并行工程和协同工作。
　　
　　集成化：现代企业产品研发系统集成了以往孤立的单项业务系统的功能和信息，能按照系统观点对企业内部进行集成优化管理。在此背景下，现代集成化的产品研发信息化平台应充分利用INTERNET技术及信息集成技术，将设计仿真、试验测试、综合保障等业务功能全面集成优化，还应与供应链管理，客户关系管理、产品数据管理、工艺管理、制造执行、办公自动化等过程进行集成优化，以支持产品协同商务等企业经营管理模式。
　　
　　智能化：企业要在当前瞬息万变的市场竞争中获胜，就必须快速、准确地对获得的各类信息作出决策，这使产品研发信息化在深度上呈现智能化的趋势。智能化产品研发信息化软件平台包括采用数据仓库及数据挖掘等技术完成数据的提取、分析和知识发掘，采用人工智能技术进行市场预测、研发决策等。
　　
　　柔性化：柔性化指适应多种研发制造方式的管理模式，支持企业对研发管理模式的不断调整，包括对产品研发和生产流程的重组和与之相关的企业组织结构与业务管理流程的调整，以保持企业在市场的竞争优势。值得指出，我国企业正处于经济体制转轨阶段，因此实现柔性化产品研发信息化具有重要的现实意义。柔性化产品研发信息化软件平台包括采用开放性体系结构，面向对象技术，可重用性与互操作技术，友好的人机接口技术，动态企业建模与仿真技术等。
　　
　　行业化：随着产品研发信息化平台在各行各业的深入应用，由于不同行业的企业各有其独特的生产和经营模式，因此，为企业提供个性化的解决方案已显得十分重要。可以预见行业化将成为必然的趋势。行业化产品研发信息化平台包括适用于离散制造业、流程制造业、混合制造业；传统制造业和新兴制造业等各类行业的产品研发信息化平台。
　　
　　综上所述，新时代产品研发信息化已成为中国制造业转型的关键所在，也是中国制造的机遇所在。从“中国制造”到“中国创造”，我们不仅需要创新的思维，更需要与之适应的产品研发信息化平台。产品研发信息化市场的成熟与发展，不仅给研发信息化软件厂商带来重新的洗牌机会，也必将把中国从制造大国带向制造强国之路