設(shè)計(jì)工作的智能化

徐志磊

（中國(guó)工程物理研究院，四川綿陽(yáng) 621900）

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設(shè)計(jì)工作的智能化

徐志磊

（中國(guó)工程物理研究院，四川綿陽(yáng) 621900）

徐志磊 浙江寧波人，核武器工程設(shè)計(jì)專家，中國(guó)工程院院士，中國(guó)工程物理研究院研究員。曾任中國(guó)工程物理研究院總工程師。長(zhǎng)期在國(guó)防科技領(lǐng)域從事尖端武器研究并做出重大貢獻(xiàn)，曾獲國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)等多項(xiàng)獎(jiǎng)勵(lì)。

當(dāng)前，創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略已成為國(guó)家主體戰(zhàn)略，創(chuàng)新在推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中日益發(fā)揮重要作用?？茖W(xué)和技術(shù)是創(chuàng)新的源泉，將科技融入滲透到“創(chuàng)新”中去，設(shè)計(jì)制造出新興技術(shù)的產(chǎn)品，是提高國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力的必由之路。設(shè)計(jì)工作是集成創(chuàng)新、制造、產(chǎn)品市場(chǎng)化過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，是產(chǎn)品創(chuàng)造價(jià)值過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)；產(chǎn)品創(chuàng)造價(jià)值的過(guò)程，需要一個(gè)從設(shè)計(jì)開始到制造和服務(wù)相配合的綜合體系來(lái)完成。

以上的敘述，是當(dāng)今時(shí)代的理念?；仡?0年前，設(shè)計(jì)師工作是為大規(guī)模生產(chǎn)產(chǎn)品提供設(shè)計(jì)模型、制圖到人工物的視覺圖形構(gòu)建，稱謂產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工業(yè)設(shè)計(jì)。這些都是由設(shè)計(jì)師的大腦思維來(lái)構(gòu)成和表達(dá)。

20世紀(jì)中葉，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)，人們開始在制造領(lǐng)域應(yīng)用數(shù)字化控制機(jī)器，由此進(jìn)入了數(shù)碼世界。設(shè)計(jì)工作也開始使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD），在計(jì)算機(jī)屏幕上設(shè)計(jì)制圖，實(shí)現(xiàn)了人腦設(shè)計(jì)構(gòu)思與計(jì)算機(jī)的信息交互，這種設(shè)計(jì)形式很快發(fā)展成為人機(jī)交互，超越輔助制圖解決更寬范圍的設(shè)計(jì)問(wèn)題。

這時(shí)，設(shè)計(jì)實(shí)踐有兩種方向。其一是產(chǎn)品計(jì)算機(jī)工程設(shè)計(jì)，聚焦于物理和材料，人造物復(fù)雜產(chǎn)品必定是物理、力學(xué)環(huán)境和材料的集成。1990年代以來(lái)，從三維CAD、工程分析CAE到多學(xué)科優(yōu)化、數(shù)字樣機(jī)、虛擬試驗(yàn)分析、多尺度多物理建模與模擬有了長(zhǎng)足的進(jìn)步?，F(xiàn)代先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)還通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)開發(fā)了全球設(shè)計(jì)與制造的協(xié)同工程，材料計(jì)算科學(xué)發(fā)展了材料設(shè)計(jì)制造工藝的以科學(xué)為基礎(chǔ)的模型分析合成的材料工程學(xué)乃至材料基因組技術(shù)。

新產(chǎn)品的研發(fā)過(guò)程，在以計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)為中心的驅(qū)動(dòng)發(fā)展下，簡(jiǎn)化、縮短了設(shè)計(jì)制造、試驗(yàn)的周期和降低了成本，可顯著提升設(shè)計(jì)在產(chǎn)品研制過(guò)程中的效益。

計(jì)算科學(xué)和工程具有以下特征。

1）模擬和建模：實(shí)現(xiàn)人工物對(duì)象的物理建模和設(shè)計(jì)，構(gòu)建產(chǎn)品，虛擬模型的虛擬試驗(yàn)正在成為工程產(chǎn)品開發(fā)的重要方法。

2）多學(xué)科優(yōu)化：任何實(shí)物產(chǎn)品，從內(nèi)在設(shè)計(jì)構(gòu)成到使用過(guò)程的環(huán)境承受都是客觀世界的多學(xué)科（物理、化學(xué)、生物學(xué)等）的組合，計(jì)算機(jī)有能力將多物理環(huán)境因素合成為產(chǎn)品行為表達(dá)，將多因素的變化規(guī)律影響自動(dòng)進(jìn)行綜合，人們分析和調(diào)節(jié)各項(xiàng)子因素的影響規(guī)律使合成的結(jié)果達(dá)到優(yōu)化。

3）預(yù)測(cè)的功能：產(chǎn)品或材料在實(shí)際使用周期內(nèi)、經(jīng)歷的環(huán)境條件、在空間和時(shí)間兩方面的歷程，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造后會(huì)有不可預(yù)知的性能變化（例如復(fù)雜的超常環(huán)境，無(wú)法建造人工的環(huán)境條件去考核產(chǎn)品，以及產(chǎn)品在長(zhǎng)期使用后性能和材料老化的后果影響），計(jì)算機(jī)可以通過(guò)已知規(guī)律的認(rèn)識(shí)在一定范圍進(jìn)行外推參數(shù)的設(shè)定，考察產(chǎn)品性能的承受能力和預(yù)測(cè)達(dá)到破壞閾值的條件和時(shí)間因素。

以上3點(diǎn)，已經(jīng)表現(xiàn)出計(jì)算機(jī)在設(shè)計(jì)工作智能化方面的特點(diǎn)，某種程度上超越了人類認(rèn)知領(lǐng)域的水平，但是它畢竟是人們給定的模型內(nèi)的計(jì)算結(jié)果，內(nèi)含著相當(dāng)?shù)牟淮_定性，還是需要人的分析和工程驗(yàn)證。

計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的另一個(gè)發(fā)展方向是計(jì)算機(jī)人機(jī)交互的設(shè)計(jì)方法。

20世紀(jì)90年代以來(lái)，信息技術(shù)發(fā)生了革命性變化，計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度和儲(chǔ)存容量驚人上升，大數(shù)據(jù)和云計(jì)算提供了新的技術(shù)能力，“人機(jī)交互”涌現(xiàn)出新的形式，如觸摸界面、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，數(shù)字指令轉(zhuǎn)換方式的改進(jìn)（如語(yǔ)音識(shí)別）。原來(lái)人腦思維空間在現(xiàn)實(shí)世界設(shè)計(jì)構(gòu)建人工物，現(xiàn)在人們創(chuàng)造了計(jì)算機(jī)+網(wǎng)絡(luò)的賽博空間（cyber s pace），它與人腦思維空間一起構(gòu)成了CPS系統(tǒng)使信息智能化技術(shù)實(shí)現(xiàn)重大進(jìn)步。這些技術(shù)創(chuàng)新的可能應(yīng)用，使設(shè)計(jì)工作的范圍得到了很大擴(kuò)展，設(shè)計(jì)從解決復(fù)雜產(chǎn)品的物理和材料設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向以人為中心，關(guān)注人的行動(dòng)和為人服務(wù)。計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)-信息-知識(shí)通過(guò)大數(shù)據(jù)分析融入到人的智慧，提升了設(shè)計(jì)、決策水平，使設(shè)計(jì)工作開始聚焦于創(chuàng)新、系統(tǒng)、用戶體驗(yàn)、商業(yè)成功以及人們的生活改善。

今天，設(shè)計(jì)已經(jīng)重新定義為對(duì)產(chǎn)品、系統(tǒng)、服務(wù)的策略性問(wèn)題解決的過(guò)程。

設(shè)計(jì)工作從傳統(tǒng)的造物、造圖、造境發(fā)展到非物質(zhì)領(lǐng)域，設(shè)計(jì)要為對(duì)人類社會(huì)有價(jià)值而服務(wù)。智能化設(shè)計(jì)輔助決策、判斷、推理和規(guī)劃，CPS系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)使設(shè)計(jì)和制造的過(guò)程實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。網(wǎng)絡(luò)化創(chuàng)新增強(qiáng)用戶體驗(yàn)，優(yōu)化為消費(fèi)者服務(wù)，更好滿足用戶需求。

設(shè)計(jì)工作智能化以產(chǎn)品和服務(wù)為載體，實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新、知識(shí)轉(zhuǎn)移和擴(kuò)散，在社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、人文各領(lǐng)域創(chuàng)造更美好的世界。

隨著智能化基礎(chǔ)設(shè)施更大范圍的普及、生產(chǎn)勞動(dòng)力形態(tài)發(fā)生了變化，工人不僅是生產(chǎn)線上一雙被雇傭的手，而是越來(lái)越多地成為知識(shí)工人、知識(shí)工作者，每個(gè)人將成為出售知識(shí)的服務(wù)者，智能化技術(shù)在整個(gè)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域?qū)l(fā)生重大變化，這將使“知識(shí)工作自動(dòng)化”提上發(fā)展日程。超級(jí)計(jì)算機(jī)輔以大數(shù)據(jù)和云計(jì)算，使人機(jī)交互的數(shù)字化表達(dá)實(shí)現(xiàn)人工智能的發(fā)展趨勢(shì)明顯增強(qiáng)。我們期待設(shè)計(jì)工作智能化進(jìn)一步向人工智能的方向邁進(jìn)！

—— 摘自《科技導(dǎo)報(bào)》2016年 第9期