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100duogekexingdefangan，yonghukeyigenjuyouhuamubiaozuoshaixuan。kongkezhegexiangmuzuizhongyaodepingjiazhibiaoshigangxinghezhongliang，yincizuizhongzaigongneng
，chengbenhemeiganzhijianzuochulezuijiadepingheng。zhezhongshejirenleishiwufawanchengde，erqietongyangyanzhongyilaisuanli
，yinweimeishengchengyigefangan，jiuyaoduiqijiegoujinxingfangzhenjisuan，erqieyouhuademubiaobutongfangzhendecanshuyejiubutong。suoyizhenggeguochengfeichanghaoshi，yexiaohaoziyuan，putongqiyenanyichengshou
，yezhinengkaoyunjisuandingyueruanjianfuwu。

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

拓(tuo)撲(pu)優(you)化(hua)設(she)計(ji)也(ye)是(shi)依(yi)靠(kao)有(you)限(xian)元(yuan)，讓(rang)程(cheng)序(xu)不(bu)斷(duan)計(ji)算(suan)出(chu)受(shou)力(li)最(zui)小(xiao)的(de)微(wei)元(yuan)，並(bing)將(jiang)其(qi)從(cong)網(wang)格(ge)中(zhong)刪(shan)掉(diao)，再(zai)進(jin)行(xing)計(ji)算(suan)，不(bu)斷(duan)地(di)去(qu)掉(diao)不(bu)重(zhong)要(yao)的(de)材(cai)料(liao)。如(ru)此(ci)循(xun)環(huan)迭(die)代(dai)
，最(zui)終(zhong)得(de)出(chu)最(zui)高(gao)效(xiao)的(de)結(jie)構(gou)。這(zhe)個(ge)功(gong)能(neng)早(zao)已(yi)在(zai)歐(ou)洲(zhou)企(qi)業(ye)廣(guang)泛(fan)使(shi)用(yong)了(le)
，算(suan)法(fa)也(ye)不(bu)斷(duan)在(zai)優(you)化(hua)，計(ji)算(suan)速(su)度(du)也(ye)從(cong)10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。簡jian單dan講jiang就jiu是shi自zi動dong重zhong新xin排pai列lie組zu合he設she計ji參can數shu，進jin而er生sheng成cheng新xin的de設she計ji結jie果guo。在zai這zhe個ge過guo程cheng中zhong
，很hen多duo結jie果guo是shi不bu好hao的de
，因yin此ci需xu要yao一yi個ge篩shai選xuan標biao準zhun，這zhe就jiu是shi仿fang真zhen。通tong過guo篩shai選xuan，把ba好hao的de設she計ji結jie果guo中zhong所suo采cai用yong的de參can數shu保bao留liu下xia來lai
，作zuo為wei遺yi傳chuan基ji因yin，與yu其qi他ta的de設she計ji結jie果guo進jin行xing重zhong組zu，這zhe樣yang會hui產chan生sheng若ruo幹gan新xin的de設she計ji結jie果guo，再zai次ci篩shai選xuan比bi較jiao好hao的de結jie果guo，如ru是shi迭die代dai，這zhe就jiu是shi所suo謂wei的de遺yi傳chuan算suan法fa。

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PLCyingjianlidechengxujixuyunxing。zaizhegefangzhendehuanjingxia
，wulitexingyebeimonichulai，congshipinlikeyikandaogongjiangunluobingdanqidedongzuo。zhexiemonizhenshichangjingdedongzuoyoukenengdaozhizhuantaijiazhu，rangjishurenyuantiqianyupanguzhang。

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

yixiangjishuruguowufadedaodaguimodeshangyeyingyong，namezheshisuliandejihuajingjimoshibimeiguogengshihejizhongliliangbandashi。yidangailingyuxianxianchushangyejiazhi，nameshichangdeliliangjiuhuinianyashijihuamoshi。suoweidejizhongliliangbandashiqishijiushizhengfubanyanfengtoujiaose
，erfengxiantouziyidingyoushishoudeshihou。

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(ye)4.0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”。