十幾年前德國提出工業4.0概(gai)念(nian)以(yi)後(hou)
，中(zhong)國(guo)製(zhi)造(zao)業(ye)是(shi)最(zui)積(ji)極(ji)的(de)實(shi)踐(jian)者(zhe)，對(dui)智(zhi)能(neng)製(zhi)造(zao)投(tou)資(zi)力(li)度(du)之(zhi)大(da)不(bu)說(shuo)舉(ju)全(quan)國(guo)之(zhi)力(li)
，和(he)歐(ou)美(mei)日(ri)韓(han)任(ren)何(he)一(yi)個(ge)經(jing)濟(ji)體(ti)相(xiang)比(bi)也(ye)夠(gou)得(de)上(shang)天(tian)量(liang)資(zi)金(jin)投(tou)入(ru)了(le)。按(an)理(li)說(shuo)應(ying)該(gai)已(yi)經(jing)實(shi)現(xian)了(le)張(zhang)教(jiao)授(shou)所(suo)謂(wei)的(de)“清場式遙遙領先”，但事實卻並非如此。

我們過早地“梭哈”了一個“偽第四次工業革命”，當我們“清盤”離場之後，下半場更大的賭局才開始：門檻更高，籌碼更大，規則更複雜，限製條件也更多。所以跟了兩把就下桌了。

本文觀點及邏輯

1. “工業4.0”沒有提出足以開創一個時代的理論或技術遠景，與前三次技術革命沒有可比性
   ，因此算不上“第四次工業革命”
2. 由於過度關注“工業4.0”
   ，導致同時期的同樣重要的製造技術新趨勢被忽略，其中就包括與AI相關的“生成式設計”
3. daliangdezijinheshehuiziyuanbeiyindaozhizhizaohuanjie，yuanbenjiduqianquedegongyiheshejinenglimeinengjishijiaqiang
   ，daozhizhongguozhizaoyechuangxinbuzudanchannengguoshengdewentigengjiajianrui
   ；
4. 生成式人工智能獲得突破後
   ，收益最大的是設計和工藝環節，之前人腦無法想象的新結構和新方法都將被AI輕而易舉地創造出來。而這恰恰是中國製造欠缺的。
5. 人類無法通過“逆向工程”獲得由AI生成的複雜結構的設計思路
   ，也就是說AI的設計無法“山寨”。即便反求獲得了外形參數，模仿的速度也跟不上AI創新的速度。
6. 如果10年前沒把眼光鎖死在“工業4.0”，也許“生成式設計”，“自適性拓撲結構優化”，“智能材料”，“輕量化設計”等概念會百花齊放。

正文

仔細想來，我也算是最早蹭到“工業4.0”流量的那波人。工業4.0概念發源於德國，弘揚於中國，所以2012年之後就有大量的來自高校
，政府，企業和投資界的同胞到德國考察工業4.0項目。當時我還在MAKA做非標設備，所以就提了個MAKA 4.0概念
，其中包括設計4.0，工藝4.0和工廠4.0。業內反響還不錯
，當時高峰期幾乎每周都要接待國內的參觀團

，也是給老東家免費做了多年的市場推廣。

但是到了14年左右的時候，德國製造和工業4.0開始被神化和過度吹捧
，以至於中國製造企業和政府都認為工業4.0是製造業轉型升級的必經之路，自“工業機器人熱”後，全國上下相繼開始了“工業4.0熱”

，“工業互聯網熱”和“智能製造熱”。都是對製造環節的過度關注，其中缺失了“設計”和“工藝”。

作為一個有良知的工程技術人員，蹭熱度的同時我還是會不斷地給工業4.0潑冷水
，每次給企業和機構的報告裏都會客觀地指出工業4.0的局限性。以至於有一次聽課的領導直接否定我的觀點，他認為工業4.0和智能製造已經上升到了國家戰略層麵，是不容置疑的。好在遊學主辦方大都接受不同的聲音，仍然會陸續介紹企業。

工業4.0不等於第四次工業革命

這其實也是我多年以來的觀點。最先由SAP拋出的工業4.0概念其實都是為其產品的市場推廣服務的。比如當時SAP剛剛推出的HANA企業數據庫
，所以SAP對工業4.0的描述偏重“大數據”
，“數據挖掘”等應用；西門子那時候已經重新整合了“博圖”平台

，實現了由虛擬PLC控製數模的運動
，即所謂的“軟件/硬件在環”。虛擬調試係統MCD成功後，西門子就立刻提出了“數字孿生”概念。“工業4.0”火爆全球後，就整合了CPS
，IoT等應用打包成西門子的工業4.0概念推向市場。

雖然其中有一些概念和應用還不錯
，但是絕對夠不上“革命”的力度。

第四次工業革命應該是人工智能大範圍的應用

“我們可以用“嚇尿程度”來評估目前是否正在進行第四次工業革命。假設我們讓瓦特通過時間旅行穿越到1930年代的美國，那麼他多半會被燈紅酒綠的夜生活和穿梭往來的汽車嚇尿；如果讓愛迪生穿越到90年代，他也多半會驚訝於各種電子產品和互聯網，盡管他是電氣時代偉大的發明家，但穿越之後也隻能在信息時代做個普通人；yaoshirangtulingchuanyuedaoxianzai，xiangbitayixiazijiunenglijiewomenxianzaisuochudexinxishehuideyunzuofangshi，buchujigeyuetajiuhuizaicichengweixinxilingyudingjiandegaoshou。suoyiruguoxiangrangtulingjingdiaoxiaba，haixuyaogengjiadianfuxingdejishugeminghechanyegeming，kejianzhenzhengyiyidedisicigongyegemingshangweikaishi。” —-《2021

，和工業4.0說拜拜》

“工業4.0理論”（姑且稱它是一種製造業發展的理論吧）最(zui)大(da)的(de)缺(que)陷(xian)就(jiu)在(zai)於(yu)它(ta)對(dui)正(zheng)在(zai)發(fa)生(sheng)的(de)第(di)四(si)次(ci)工(gong)業(ye)革(ge)命(ming)和(he)科(ke)技(ji)革(ge)命(ming)缺(que)乏(fa)遠(yuan)見(jian)。隻(zhi)看(kan)到(dao)了(le)當(dang)下(xia)成(cheng)熟(shu)的(de)網(wang)絡(luo)技(ji)術(shu)，對(dui)人(ren)工(gong)智(zhi)能(neng)，新(xin)材(cai)料(liao)，新(xin)工(gong)藝(yi)等(deng)有(you)可(ke)能(neng)顛(dian)覆(fu)現(xian)代(dai)製(zhi)造(zao)業(ye)的(de)技(ji)術(shu)和(he)理(li)論(lun)缺(que)乏(fa)想(xiang)象(xiang)力(li)。—-《2021，和工業4.0說拜拜》

第四次工業革命真正的主角可能是“生成式設計”

早在工業4.0如火如荼的2015年
，空客的一個隔斷設計在很多展會上亮相，也獲獎無數。就是下麵圖中的複雜且極具美感的結構。

仿生隔牆采用生成式設計進行了優化，在保持相同穩定性的同時，重量大幅減輕。下麵的視頻可以便於理解生成式設計的過程。

總(zong)體(ti)來(lai)說(shuo)
，設(she)計(ji)師(shi)先(xian)規(gui)定(ding)了(le)優(you)化(hua)範(fan)圍(wei)和(he)約(yue)束(shu)條(tiao)件(jian)，讓(rang)計(ji)算(suan)機(ji)在(zai)這(zhe)個(ge)隔(ge)斷(duan)的(de)輪(lun)廓(kuo)線(xian)上(shang)，按(an)照(zhao)一(yi)定(ding)距(ju)離(li)設(she)定(ding)節(jie)點(dian)
，再(zai)把(ba)節(jie)點(dian)之(zhi)間(jian)連(lian)線(xian)。如(ru)果(guo)所(suo)有(you)節(jie)點(dian)之(zhi)間(jian)都(dou)設(she)計(ji)連(lian)線(xian)，那(na)麼(me)結(jie)構(gou)剛(gang)性(xing)倒(dao)是(shi)很(hen)好(hao)
，但(dan)是(shi)支(zhi)撐(cheng)杆(gan)太(tai)多(duo)
，重(zhong)量(liang)太(tai)大(da)
；如(ru)果(guo)減(jian)少(shao)支(zhi)撐(cheng)杆(gan)的(de)數(shu)量(liang)，經(jing)濟(ji)性(xing)會(hui)變(bian)得(de)更(geng)好(hao)

，但(dan)是(shi)結(jie)構(gou)剛(gang)性(xing)也(ye)會(hui)相(xiang)應(ying)減(jian)小(xiao)。於(yu)是(shi)，之(zhi)間(jian)的(de)取(qu)舍(she)平(ping)衡(heng)編(bian)程(cheng)了(le)問(wen)題(ti)的(de)症(zheng)結(jie)。生(sheng)成(cheng)式(shi)設(she)計(ji)其(qi)實(shi)就(jiu)是(shi)通(tong)過(guo)遺(yi)傳(chuan)算(suan)法(fa)
，生(sheng)成(cheng)合(he)適(shi)的(de)參(can)數(shu)組(zu)合(he)，再(zai)用(yong)仿(fang)真(zhen)計(ji)算(suan)篩(shai)選(xuan)出(chu)優(you)秀(xiu)的(de)參(can)數(shu)組(zu)合(he)。最(zui)後(hou)給(gei)設(she)計(ji)師(shi)若(ruo)幹(gan)組(zu)合(he)理(li)的(de)設(she)計(ji)方(fang)案(an)

，有(you)設(she)計(ji)師(shi)做(zuo)最(zui)終(zhong)的(de)判(pan)斷(duan)。

程序最終生成了100多duo個ge可ke行xing的de方fang案an，用yong戶hu可ke以yi根gen據ju優you化hua目mu標biao做zuo篩shai選xuan。空kong客ke這zhe個ge項xiang目mu最zui重zhong要yao的de評ping價jia指zhi標biao是shi剛gang性xing和he重zhong量liang，因yin此ci最zui終zhong在zai功gong能neng，成cheng本ben和he美mei感gan之zhi間jian做zuo出chu了le最zui佳jia的de平ping衡heng。這zhe種zhong設she計ji人ren類lei是shi無wu法fa完wan成cheng的de
，而er且qie同tong樣yang嚴yan重zhong依yi賴lai算suan力li，因yin為wei每mei生sheng成cheng一yi個ge方fang案an

，就jiu要yao對dui其qi結jie構gou進jin行xing仿fang真zhen計ji算suan
，而er且qie優you化hua的de目mu標biao不bu同tong仿fang真zhen的de參can數shu也ye就jiu不bu同tong。所suo以yi整zheng個ge過guo程cheng非fei常chang耗hao時shi
，也ye消xiao耗hao資zi源yuan

，普pu通tong企qi業ye難nan以yi承cheng受shou，也ye隻zhi能neng靠kao雲yun計ji算suan訂ding閱yue軟ruan件jian服fu務wu。

說到“生成式設計(Generative Design)”就不得不提“拓撲優化設計（Topology Design）”

tuopuyouhuashejiyeshiyikaoyouxianyuan，rangchengxubuduanjisuanchushoulizuixiaodeweiyuan
，bingjiangqicongwanggezhongshandiao，zaijinxingjisuan，buduandiqudiaobuzhongyaodecailiao。rucixunhuandiedai
，zuizhongdechuzuigaoxiaodejiegou。zhegegongnengzaoyizaiouzhouqiyeguangfanshiyongle，suanfayebuduanzaiyouhua，jisuansuduyecong10年前幾周縮短到現在的幾分鍾。

所suo以yi我wo並bing不bu認ren同tong歐ou洲zhou互hu聯lian網wang和he人ren工gong智zhi能neng發fa展zhan停ting滯zhi的de觀guan點dian。歐ou洲zhou的de工gong業ye軟ruan件jian非fei常chang發fa達da，而er且qie大da型xing化hua和he智zhi能neng化hua的de進jin程cheng一yi刻ke都dou沒mei有you停ting止zhi。隻zhi不bu過guo歐ou美mei製zhi造zao業ye的de重zhong心xin一yi直zhi放fang在zai研yan發fa和he設she計ji上shang，因yin為wei這zhe個ge環huan節jie一yi直zhi有you巨ju大da的de增zeng長chang潛qian力li。

下麵這幅圖是15年(nian)前(qian)，某(mou)刀(dao)具(ju)廠(chang)家(jia)對(dui)銑(xi)削(xue)工(gong)藝(yi)做(zuo)的(de)仿(fang)真(zhen)。他(ta)們(men)通(tong)過(guo)與(yu)實(shi)際(ji)的(de)車(che)削(xue)數(shu)據(ju)做(zuo)對(dui)照(zhao)，不(bu)斷(duan)優(you)化(hua)仿(fang)真(zhen)模(mo)型(xing)的(de)材(cai)料(liao)和(he)工(gong)藝(yi)參(can)數(shu)，最(zui)終(zhong)讓(rang)仿(fang)真(zhen)效(xiao)果(guo)逼(bi)近(jin)真(zhen)實(shi)。視(shi)頻(pin)裏(li)，切(qie)屑(xie)的(de)產(chan)生(sheng)到(dao)卷(juan)曲(qu)過(guo)程(cheng)都(dou)完(wan)美(mei)的(de)模(mo)擬(ni)了(le)出(chu)來(lai)，而(er)且(qie)整(zheng)個(ge)過(guo)程(cheng)產(chan)生(sheng)的(de)熱(re)量(liang)，應(ying)力(li)，應(ying)變(bian)等(deng)參(can)數(shu)都(dou)被(bei)準(zhun)確(que)計(ji)算(suan)出(chu)來(lai)。

在優化仿真模型的過程中
，物理實驗和仿真模型構成一對CPS（賽博物理係統），可以美其名曰工藝4.0。這zhe種zhong仿fang真zhen模mo型xing參can數shu的de調tiao校xiao的de難nan度du不bu亞ya於yu當dang下xia最zui火huo的de訓xun練lian大da語yu言yan模mo型xing，都dou需xu要yao強qiang大da的de算suan力li
，優you秀xiu的de算suan法fa和he大da量liang的de人ren工gong試shi驗yan。而er一yi旦dan仿fang真zhen模mo型xing優you化hua成cheng功gong
，那na麼me就jiu可ke以yi幾ji乎hu一yi勞lao永yong逸yi地di解jie決jue零ling件jian試shi製zhi問wen題ti，刀dao刃ren的de尺chi寸cun可ke以yi任ren意yi修xiu改gai，直zhi到dao滿man意yi為wei止zhi。

產品和工藝開發過程中的差距往往是隱性的，不像自動化設備和工廠生產組織那麼顯而易見。當我們在工業4.0的賽道上飛奔時，對手在按部就班地改進設計方法，優化設計參數。

第四次工業革命將會讓“山寨”變得不可行，因為設計的比拚最終將落實為模型的比拚。就像我們現在已經不再對MD，SF和DALL.E生成的特定圖片進行比較，而是通過對比一大堆不同提示詞生產的結果，比較模型的好壞。工業零部件的設計開發早在“工業4.0”概念提出之前，就已經開始卷模型了。

拓撲優化設計不是生成式設計

過去的20年裏，拓撲優化設計發展迅速，目前基本上主流設計軟件大廠都提供拓撲優化模塊，而且完美嵌入到各自的PLM平台。根據客戶的製造工藝和產量要求
，程序還可以對結果進一步優化，自動生成用於鍛造，鑄造
，機加或3D打印的設計。便於鑄造的拔模傾角，澆冒口都自動設計得妥妥當當。即便如此這仍然不能算作是生成式設計。

拓撲優化存在理論最優解，即A.G.M. Michell早在1904年提出的完美桁架模型。因此通過拓撲優化得出的結構都是大同小異的接近Michell桁架的結構。

生成式設計應該說脫胎於參數化設計，其鼻祖是Autodesk。jiandanjiangjiushizidongzhongxinpailiezuheshejicanshu
，jinershengchengxindeshejijieguo。zaizhegeguochengzhong，henduojieguoshibuhaode
，yincixuyaoyigeshaixuanbiaozhun，zhejiushifangzhen。tongguoshaixuan
，bahaodeshejijieguozhongsuocaiyongdecanshubaoliuxialai
，zuoweiyichuanjiyin，yuqitadeshejijieguojinxingzhongzu，zheyanghuichanshengruoganxindeshejijieguo，zaicishaixuanbijiaohaodejieguo，rushidiedai，zhejiushisuoweideyichuansuanfa。

最(zui)後(hou)仍(reng)然(ran)是(shi)生(sheng)成(cheng)多(duo)個(ge)設(she)計(ji)結(jie)果(guo)，並(bing)列(lie)出(chu)功(gong)能(neng)參(can)數(shu)進(jin)行(xing)對(dui)照(zhao)。生(sheng)成(cheng)式(shi)設(she)計(ji)的(de)適(shi)用(yong)麵(mian)更(geng)廣(guang)，設(she)計(ji)結(jie)果(guo)也(ye)更(geng)多(duo)樣(yang)，可(ke)以(yi)進(jin)行(xing)多(duo)目(mu)標(biao)優(you)化(hua)。比(bi)如(ru)設(she)計(ji)一(yi)個(ge)更(geng)加(jia)高(gao)效(xiao)的(de)冷(leng)卻(que)流(liu)道(dao)，下(xia)圖(tu)中(zhong)左(zuo)側(ce)兩(liang)個(ge)分(fen)別(bie)是(shi)參(can)數(shu)優(you)化(hua)和(he)拓(tuo)撲(pu)優(you)化(hua)得(de)到(dao)的(de)結(jie)果(guo)，右(you)邊(bian)的(de)則(ze)是(shi)生(sheng)成(cheng)式(shi)設(she)計(ji)的(de)優(you)化(hua)結(jie)果(guo)。如(ru)果(guo)零(ling)件(jian)尺(chi)寸(cun)
，材(cai)料(liao)，工(gong)況(kuang)發(fa)生(sheng)了(le)變(bian)化(hua)，那(na)麼(me)設(she)計(ji)結(jie)果(guo)也(ye)會(hui)隨(sui)之(zhi)發(fa)生(sheng)巨(ju)大(da)的(de)變(bian)化(hua)。所(suo)以(yi)此(ci)時(shi)去(qu)“山寨”單一零件的設計已經變得毫無意義，在這個“基於有限元仿真的生成式AI模型”的加持下，一個原創性企業可以0成本源源不斷地產生類似的設計
，其設計成本遠低於逆向（山寨）工程的開銷。

生成式AI將引領第四次工業革命

最近Sora生成視頻的驚豔表現讓全人類驚呼夢境世界到來，用生成式AI設計蛋白質去年也取得了重大進展，相信接下來的突破就是設計新材料特別是有機材料。

對於製造業來說
，產生新的設計結果並沒有多大難度，難點在於如何篩選
，所以說到底還是仿真。比如下麵這個案例，設計師讓AI自動生成大量的汽車圖片，然後把平麵圖轉換成點雲再轉成矢量圖，再運行仿真，得出結果
，篩選出更多的可能性。

AIGC+CAE（有限元仿真）即將在工業和製造業領域引發設計革命，其深刻性和影響力將遠大於“工業4.0”。這就是第四次工業革命給產品設計帶來的新方法。

押寶“工業4.0”讓我們錯失了很多機會

全國鑼鼓喧天搞“工業4.0”的de那na幾ji年nian也ye正zheng是shi生sheng成cheng式shi設she計ji開kai始shi普pu及ji的de時shi候hou。回hui到dao文wen章zhang開kai頭tou的de空kong客ke的de案an例li，當dang時shi國guo內nei的de專zhuan業ye媒mei體ti對dui此ci幾ji乎hu沒mei有you報bao道dao，有you限xian的de幾ji篇pian文wen章zhang還hai都dou是shi關guan注zhu支zhi撐cheng杆gan是shi用yong3D技術製造的。因為3D打印被描述為工業4.0時代的關鍵技術，所以小編才會關注一下。

彼時，西門子在推出了Create/Run myVirtualMachine模塊，並集成在最新的SINUMERIC ONE平台，從此數字孿生的基因便深植於西門子的軟件產品。這個功能在機電一體化產品的設計領域也是革命性的
，因為它使“半實物仿真”buzaixuyaojixiegoujian
，yingjianzhixuyaokongzhiqi，jiukeyiqudongshumodeyundong。kansiyundongfangzhenhezutairuanjianyenengshixianleisidegongneng，danshibenzhishangshiwanquanbuyiyangde。

下麵的視頻是最早的數字孿生產品MCD（Mechatronic Concept Design），數模的控製程序來自硬件PLC或者仿真PLC（SIMIT組件），數模在運動過程中也會出發傳感器，仿真的輸入信號同樣通過PLCSim傳給控製器硬件，觸發PLC硬(ying)件(jian)裏(li)的(de)程(cheng)序(xu)繼(ji)續(xu)運(yun)行(xing)。在(zai)這(zhe)個(ge)仿(fang)真(zhen)的(de)環(huan)境(jing)下(xia)，物(wu)理(li)特(te)性(xing)也(ye)被(bei)模(mo)擬(ni)出(chu)來(lai)
，從(cong)視(shi)頻(pin)裏(li)可(ke)以(yi)看(kan)到(dao)工(gong)件(jian)滾(gun)落(luo)並(bing)彈(dan)起(qi)的(de)動(dong)作(zuo)。這(zhe)些(xie)模(mo)擬(ni)真(zhen)實(shi)場(chang)景(jing)的(de)動(dong)作(zuo)有(you)可(ke)能(neng)導(dao)致(zhi)轉(zhuan)台(tai)夾(jia)住(zhu)
，讓(rang)技(ji)術(shu)人(ren)員(yuan)提(ti)前(qian)預(yu)判(pan)故(gu)障(zhang)。

我第一次接觸MCD是在2009年在亞琛讀研究生時聽過的一個報告
，當時這個產品應該是剛剛完成，還在完善中。僅僅是5年以後，數字孿生就成為西門子繼TIA全集成自動化後最重要的概念在自動化和數控係統市場裏被大書特書。

可惜

，被“工業4.0”蒙了雙眼的我們隻看到了西門子的CPS和IoT
，去西門子Bemberg工業4.0示範工廠參觀的中國企業絡繹不絕，但是並沒有深究“數字孿生”的重要意義。

在我看來
，“生成式設計”將為機械零件的製造（和工廠布局設計）帶來革命，“數字孿生”將為自動化設備（和生產係統）的開發帶來革命。

美蘇高科技爭霸已經重演

一yi項xiang技ji術shu如ru果guo無wu法fa得de到dao大da規gui模mo的de商shang業ye應ying用yong，那na麼me這zhe時shi蘇su聯lian的de計ji劃hua經jing濟ji模mo式shi比bi美mei國guo更geng適shi合he集ji中zhong力li量liang辦ban大da事shi。一yi旦dan該gai領ling域yu顯xian現xian出chu商shang業ye價jia值zhi
，那na麼me市shi場chang的de力li量liang就jiu會hui碾nian壓ya式shi計ji劃hua模mo式shi。所suo謂wei的de集ji中zhong力li量liang辦ban大da事shi其qi實shi就jiu是shi政zheng府fu扮ban演yan風feng投tou角jiao色se，而er風feng險xian投tou資zi一yi定ding有you失shi手shou的de時shi候hou。

現在回頭看，工業4.0/智zhi能neng製zhi造zao就jiu是shi押ya錯cuo了le，很hen多duo企qi業ye為wei了le拿na國guo家jia智zhi能neng製zhi造zao補bu貼tie，把ba精jing兵bing強qiang將jiang都dou拉la出chu來lai搞gao自zi動dong化hua，數shu字zi化hua，企qi業ye雲yun什shen麼me的de。卻que忽hu略lve了le最zui關guan鍵jian的de設she計ji和he工gong藝yi，工gong業ye4.0方興未艾的10年也許同樣意味著設計和工藝荒廢了10年。

結語

有you限xian元yuan仿fang真zhen早zao已yi不bu是shi什shen麼me新xin技ji術shu
，但dan是shi歐ou美mei製zhi造zao企qi業ye把ba仿fang真zhen玩wan出chu了le新xin花hua樣yang
，在zai此ci基ji礎chu上shang相xiang繼ji搞gao出chu了le拓tuo撲pu設she計ji和he生sheng成cheng式shi設she計ji。第di四si次ci工gong業ye革ge命ming一yi定ding是shiAI在zai工gong業ye領ling域yu的de廣guang泛fan應ying用yong，就jiu像xiang現xian在zai科ke技ji巨ju頭tou們men搞gao的de大da語yu言yan模mo型xing大da戰zhan

，未wei來lai製zhi造zao業ye企qi業ye的de核he心xin競jing爭zheng力li也ye是shi數shu字zi模mo型xing，名ming字zi我wo也ye想xiang好hao了le
，就jiu叫jiao“基於有限元仿真和遺傳算法的生成式數值計算人工智能大模型”。