高职院校助力苏南中小型装备制造企业智能设计能力提升研究

迟圣威， 余黎明， 王 骏， 芦 敏， 邝 乐， 李 梅

(无锡职业技术学院， 江苏 无锡 214121)

近年来，在重大装备设计、生产与制造的多个产业领域，国内的设计、生产、制造与维护水平提升明显，在部分领域已经接近甚至达到了世界领先水平。同时，职业教育的地位不断提升，“双高计划”、本科层次职业教育等重大工程也在稳步推进。在这股浪潮中，高职院校的校企合作势必要进入新阶段，服务中小型企业的产业转型升级和技术提升成为高职院校校企合作的新内涵。苏南地区是我国制造业发展的重点地区，外资经济和民营经济十分活跃，技术能力的提升历来备受重视。为实现智能制造转型升级和提升智能制造能力，苏南劳动密集型企业进一步向中西部转移，中小型装备制造企业加强技术转型，向上游技术发展[1-2]。智能设计作为智能制造的前端技术，其重要性得到了越来越多企业的重视。

历经多年的校企合作，苏南的高职院校对当地装备制造企业转型升级中的痛点问题有比较深刻的认识。就传统的数字化设计制造的全链路能力而言，大部分企业在CAD、CAM技术上具备较成熟的基本应用能力，但在CAE技术上存在短板。当前，CAE技术在产品研制中的作用越来越重要，主要体现在四个方面。第一，装备技术问题的复杂程度不断提升。这和我国整体产业链前移，多个行业的技术水平与发达国家差距不断缩小有关。第二，当前软件的易用性不断提升。以有限元仿真分析软件为例，从早期的自定义程序语言或卡片式的输入方式到向导式的用户界面，最终发展到现在的协同仿真平台，软件操作对普通从业人员的知识与技能要求不断降低，让更多的工程师可以从中获得益处。第三，仿真软件应用范围越来越广，几乎可以涵盖绝大部分的产品性能分析。第四，企业越来越重视。这主要基于以下几方面原因：一是上游大型企业需要供应商提供性能分析报告，这就倒逼企业提高仿真能力或者寻求仿真服务来评估产品性能；二是随着大型装备的系统性能与集成化水平不断提高，某些子系统和子部件会对整个装备的性能提高产生不可忽略的影响，但在性能提升过程中没有太多经验可以借鉴，此时仿真手段能成为解决问题的“神兵利器”；三是苏南中小型企业为了在激烈的市场竞争中脱颖而出和避免低水平同质化竞争，会产生内在驱动力，而仿真作为三大研究手段之一，越来越受到中小型科技企业尤其是高新技术企业的重视。仿真能力的成熟，使得智能设计能够为企业提供真正有益的帮助。

对于智能制造中的智能设计领域，国内外学者都已经进行了许多研究，但大多集中在宏观的智能设计体系建立和具体的智能设计方法上[3]。针对国内企业特别是苏南中小型企业的智能设计能力尚处在初级阶段这一背景，学者们仅从数字化设计手段应用和数字孪生应用等角度进行了初步探讨，没有基于苏南中小型装备制造企业面临的实际问题提出成体系的解决路径与解决方案。对此，本文将高职院校积极助力作为推动中小型装备制造企业智能设计能力提升的一个重要因素，分析高职院校如何在技术服务、硬件支撑、人才培养等方面帮助中小型装备制造企业提升智能设计能力，为校企合作提供新思路。

一、工程含义下的智能设计内涵分析

装备领域智能设计的提出最初基于设计自动化的美好愿景。设计自动化在20世纪末开始兴起，当时正值人工智能技术发展早期。设计自动化一般指设计人员在专家系统的指导下完成高水平的设计，而知识库是专家系统的核心组成部分，可以分为基于原理的知识库与基于经验的知识库。20世纪末，基于经验的知识库尚未在国内开始运用，而依托基于原理的知识库进行知识推理的专家系统在实际设计工作中也始终只能解决非常有限的问题。从企业实际的工程角度出发，当时的普遍共识是设计活动本身难以算法化、数据化。近年来，随着人工智能等相关信息技术快速发展，数字孪生技术不断成熟，设计知识库从早期的原理知识库向可以迭代的经验知识库演化，通过人在环路的设计过程真正实现了知识积累下的技术进步。结合全寿命周期的产品设计解决方案代表着智能设计的发展方向。智能设计的内涵可以从五个方面进行描述，即智能设计方法(对应工程设计中的智能设计向导[4])、专家系统(对应工程设计中的设计知识库和人工智能算法)、仿真优化(对应工程设计中的优化设计与性能校核)、全流程(对应工程设计与制造装调的全过程，甚至包括产品整个寿命周期内的一切活动)、交互(实现工程设计中设计师的在环择优、监测等功能)，具体如图1所示。

智能设计广义上可以应用于所有领域，从学科角度可以细分为机械系统智能设计、电气系统智能设计、控制系统智能设计、软件系统智能设计等，但后三者性能的提升主要依赖新技术、新工艺、新算法、新理论的出现与应用。而机械系统设计作为传统学科中的传统方向，智能设计手段可以为其注入全新的生命力。正如前文所言，将智能设计作为智能制造的前端技术，也可以理解为设计是制造的前序步骤。

通过课题组的长期走访，发现苏南中小型装备制造企业主要从事三类装备的设计与制造。第一类是非标自动化装备，提供自动化生产线等机器换人设备；第二类是精密装备零部件(如发动机关重件、减振器、精密驱动模组、智能夹具、精密模具、紧固件等)；第三类是某个领域的整机设备，以制冷领域为例，这类设备(如制冷装置)既可以作为某个行业的上游设备(如高低温测试箱)，又可以作为某些大型装备的子系统(如大型飞机中的环控系统)。中小型装备制造企业不包括能承接大型装备或高精度装备的企业，高职院校参与横向服务所接触的中小型装备制造企业大部分属于以上三类。这些装备制造企业的产品以生成机械或机电类装备为主，所以本文的研究也以机械类产品应用方面的智能设计为例。

结合苏南中小型装备制造企业当前的智能设计现状，本文分析企业智能设计能力提升的阶段，并将其与企业智能设计能力发展路径紧密结合。从企业层面来看，需要对上述已经被赋予工程化解释的智能设计内涵描述进行合并和调整：第一阶段是以企业掌握智能设计向导和图形界面交互技术为代表的敏捷设计阶段，第二阶段是以企业掌握仿真优化技术为代表的仿真驱动阶段，第三阶段是以企业掌握全流程管理和专家系统技术为代表的数字孪生阶段。

二、智能设计高水平科研团队建立

从智能设计的内涵分析可以看出，智能设计领域具有学科理论深度高、专业覆盖面广、技术实现难度大等特点，所以中小型企业智能设计能力的持续提升需要依托高水平的研发团队。在校企合作中，高等学校的优势资源之一就是拥有大量高学历、高职称人才，但高职院校的人才类型与普通本科院校相比又有较大区别。

本科院校，特别是重点本科院校，侧重于解决国家重大需求牵引的理论基础和应用基础课题，以及解决重大装备研发中出现的相关“卡脖子”难题，因此其校企合作对象以大型央企、科研机构为主体。近年来，苏南地区本科院校新进专任教师几乎都拥有博士学位，其中绝大部分青年教师是从学校毕业后直接进入高校任教，他们在产品设计方面的工程经验有所欠缺。学校的科研训练使得这些青年教师大多更擅长解决理论基础与技术基础问题，而他们自身的工程能力往往仅达到设计原理样机阶段的水平，所以这些教师会把精力主要集中在纵向课题上，对与普通企业合作的横向课题关注较少。

图1 智能设计的内涵

而高职院校的科研服务主要着眼于应用技术服务，其校企合作对象以中小型企业为主体。高职院校原本就有相当数量的“双师型”教师，近几年，博士也开始大量进入经济发达地区的高水平高职院校，其中相当一部分人有科研机构、大型国企或知名外企的工作经历，他们不仅在本专业内有良好的理论水平，而且在相关领域也有丰富的工程经验，在技术开发方面属于“即插即用型”，是最受工程设计与技术研发企业欢迎的人才。高职院校中的不同院系和相关专业能够针对需要复杂知识的现代化装备产品研发工作高效地组建专业群团队，以此满足此类企业的研发需求。而如果由中小型企业直接招聘此类人才，不仅难度较大，而且企业一般难以承受高额的人力成本，因此采用校企合作模式能最大化提升中小型企业的研发能力。

高职院校在组建高水平科研团队以提升中小型企业智能设计水平的过程中需要注意三点问题。第一，科研团队具体面临的企业智能设计问题，可以简单分为智能设计系统开发与装备产品智能设计两类。智能设计系统开发即设计工具开发，开发的系统可针对企业主要产品类型的特点，实现为企业增加设计手段、优化设计方法和定制设计流程等目的；装备产品智能设计指针对企业某个装备或产品进行设计改进与优化，属于产品智能设计的技术服务。这两类问题的解决手段虽有重叠，但大部分情况下解决它们所需的技术能力并不相同。第二，组建团队时，要考虑企业的具体装备或产品所需的专业领域，特别是在智能设计的技术服务方面，团队人员的专业方向应尽可能覆盖这些领域，这样能够更精准地解决企业设计中的痛点问题，更快提升产品的设计水平。第三，智能设计系统开发时既要考虑企业现有的设计能力和水平，使开发的系统能真正应用到当前的产品设计中，又要提前做好规划，考虑企业未来的产品发展，避免该智能设计系统后期应用于新产品时不能在原系统上升级，而需要完全重新开发。

三、企业智能设计能力提升阶段分析与路径规划

传统意义上，机械制造行业内的研发设计信息化水平处于不同的阶段。对于苏南中小型企业而言，基础的三维数字化设计已经在所有具备基本设计能力的企业落地，部分拥有战略眼光的高新企业甚至已经引进西门子公司开发的 Teamcenter协同设计平台，但使用效果却并不理想。对照数字化设计的三个技术阶段，本文给出苏南中小型企业智能设计发展路径规划。第一阶段是仿制阶段的设计工作，它又可以细分为两个阶段，一是使用三维数字软件进行产品三维建模的基本数字化阶段，它不在智能设计的范畴内，目前大部分企业都处于这个阶段；二是开始关注三维数字样机与二维图纸一致性以及利用参数化技术和图形交互界面技术缩短设计周期等方面，也可以称为敏捷设计阶段，这一阶段的最大要点仍是高效实现模型图纸一致性，避免低级错误。第二阶段是设计改进阶段，即对原有的产品进行改进以提升性能，这里的改进包括针对前期使用过程的问题反馈，设计改进后需要通过设计校核。此时，传统的仿真分析技术就可以起到巨大的作用。第三阶段是产品的研发和原产品的升级换代，仿真分析、设计过程中先进的流程管理、专家系统等技术在这一阶段变得非常重要。对于当前的苏南中小型装备企业来说，第一和第二阶段是它们亟须提升能力的智能设计阶段。

事实上，建立一个比较完善的传统专家系统或设计知识库需要企业先验经验作为支撑，而这些恰恰是企业需要固化却没有能力提炼的知识。同样，全寿命周期产品设计解决方案对于中小型企业而言门槛太高，即使上了类似的协同设计平台，从中获得的相关设计能力也有限[5-6]。所以需要根据企业发展不同阶段的需求，为企业量身定制智能设计方案，从而有效提升企业的产品设计能力。根据企业在行业内所处的产业链位置及其装备复杂度、技术成熟度、技术先进型、企业性质，将企业智能设计能力提升分成四个阶段，并把每一个因素的发展水平从低到高分为三个层级，具体如表1所示。其中，零阶段是当前中小型装备制造业普遍达到的基本数字化能力应用阶段，而后面三个阶段是智能设计方法所对应的三个阶段。仿真驱动阶段和数字孪生阶段往往应用于具有复杂设计路径的产品，复杂产品设计路径如图2所示。这类企业已经具备较好的产品研发基础，其复杂设计路径一般可以直接转化为敏捷设计阶段的智能设计向导流程，在同类苏南中小型企业处于领军地位。对智能设计能力提升路径中的三个阶段及高职院校科研团队在其中所起到的作用分析如下：

表1 智能设计阶段分类

图2 复杂产品设计路径

第一阶段是敏捷设计阶段。中小型企业往往处在供应链下游，其交付周期受到严格限制，因而有缩短产品研制周期的迫切需求。不论是传统重复设计还是非标装备设计，模型与图纸之间的关联驱动都是敏捷设计的基础组成部分，是传统数字化三维样机设计水平的第一层提高。模型的修改与图纸的变更之间准确的数据传递是提高迭代设计速度、减少设计错误的基本保障。现今主流的三维设计软件经过设置都能实现模型图纸的同步更新，但自动化程度仍显不足，在定制图框、尺寸线规整更新方面还需要设计软件二次开发工具才能实现，相关技术如图3所示。另外，西门子公司开发的Teamcenter协同设计平台具有更高的使用门槛，对此，高职院校可以提供较好的技术支撑和培训服务。该平台价格高昂，对很多中小型企业来说并不适合，因为它们在产品设计过程中往往不会对软硬件进行过大投入，产品研发过程中不仅会应用典型结构件，同时也需要用到大量标准件和外购件。鉴于此，可以联合高职院校科研团队，依托企业所用的三维设计软件定制开发常用结构件、标准件与外购件的选型数据库以及相应的选型计算软件来实现敏捷设计，具体如图4所示。常用结构件的截面尺寸和构型既可以通过直接参数化设计实现[7]，又可以通过UG、OPEN等开发工具编程实现。需要注意的是，在这一阶段，企业产品设计水平提升主要依赖于经验和外部参考，效率有较大提升，性能通过经验积累和先进产品跟研也可以获得一定提升，但从设计角度来看没有达到最优效果。如果在知识工程的基础上开发产品的典型零件库和零件的典型截面库来优化零部件的设计过程，减少重复设计，那么这种设计方法就已经具备智能设计的内涵了。

图3 敏捷设计阶段相关技术

第二阶段是仿真驱动阶段。中小型企业为了进一步提升产品的质量和性能，除了借鉴同行先进的技术和经验以外，自主研发内容一般占据主导地位，这非常依赖仿真与测试技术的加持。特别是对于概念设计阶段，传统的工程师采用的往往是经验法和引进法，主要凭借以往企业和自身的产品设计经验或者借鉴外部的产品资料。这样的设计往往不是最优化设计，创新程度较低，而通过对关键零件进行拓扑优化和对整个结构系统或分系统进行布局优化，可以颠覆传统构型和布局方式，形成优质的原生模型[8]，如图5所示。在原理样机的详细设计阶段再进行构型优化与尺寸优化，在“优化—校核—优化”的开发流程中，可以不断提升产品的结构性能。在此过程中，对于简单零件等相对简单的仿真对象或静力学强度校核等相对成熟的仿真方法，高职院校科研团队可以以企业的主要设计案例为模板，为企业编制详细的作业指导书，并在准确性和精度上为企业把关；对于复杂的仿真对象和仿真方法，一般还需要高职院校科研团队直接介入并参与分析，必要时还需要学校的高性能计算平台提供较大的算力来获得仿真结果。

(a) 系统级：布局优化

(b) 零件级：拓扑优化

第三阶段是数字孪生阶段。数字孪生技术是智能工厂全流程的虚实互联技术，可以最大限度地降低物理样机的成本，其中产品数字孪生设计是真正的多学科协同设计。比如，机械和电气之间的协同设计不再是传统的接口设计，而是通过数字化手段，同步交换电气和机械CAD数据，将接口模式变成集成模式。现阶段，西门子公司的数字孪生技术处于行业领先水平，但实际上其应用范围并不符合苏南中小企业的发展现状，不仅成本高昂，而且其作用的充分发挥对企业的技术沉淀和设计人员的要求很高[9]。此时，高职院校科研团队可以根据企业的现状定制轻量化的智能向导设计流程，帮助企业逐步建立与完善专家系统和产品知识库，通过学校的高性能计算平台实现多学科协同的优化仿真方案，在设计阶段达到产品综合的最佳效果。当然，完成这些建设任务一般需要较长的时间周期。

四、科研实验室小型高性能计算平台建设

仿真分析是智能设计工程化的关键技术和关键环节，工程化的仿真软件需要硬件平台有良好的支撑能力，但建立满足性能要求的硬件平台需要较高的成本，中小型装备制造企业限于自身条件，很难主动作为。此时，通过校企合作，由高职院校建立智能设计科研实验室来完成此类任务是最佳路径。实际上，该科研实验室的建设除了可以满足学校纵向课题的科研需求以外，更大的作用就是为苏南中小型企业实现智能设计能力提升的目标提供硬件保障。对于高性能计算，主流的要求包括大内存、最新处理器指令和编译器、支持Windows HPC系统、支持高性能互联技术和高性能并行存储技术[10]、支持GPU计算等，但应用于智能设计领域时，并不需要完全满足以上要求。特别是GPU计算，它是当前高性能计算所关注的热点，但主要应用于图像领域，在智能设计领域应用较少。同时，高职院校科研实验室配置的硬件平台还需要覆盖企业智能设计水平发展的不同阶段。满足智能设计领域的仿真计算要求和中小型企业产品开发设计要求的硬件配置平台，可以分为两种类型。

第一种类型：普通工作站方案。普通工作站是性能提升的第一阶段，在大型装配体三维设计过程中，普通电脑的内存和显卡使得打开数字样机非常耗时，甚至样机打开失败的情况也时有发生。工作站作为一种固定资产，已经成为部分装备制造企业的标配，虽然远远做不到人手一台，但已经解决了从无到有的问题。不过普通工作站的配置在智能设计第一和第二阶段的应用稍显不足，这一配置可以直接由中小型企业自身完成，高职院校科研团队仅仅需要为企业的应用提供选型指导，后期再基于平台配置为合作企业提供最优的智能设计解决方案。

第二种类型：高性能计算平台方案。对于企业而言，高性能计算平台的硬件投入是一笔巨大的开销，高职院校可以通过建设仿真与设计计算平台来帮助企业实现智能设计与研发，高性能集群计算平台和高性能单机计算平台(超级仿真工作站)是更进一步的方案。当前，高性能单机计算平台面临的问题主要有两个。一是算力问题。目前市场上一台高性能单机至多只能拥有4个CPU，且一个CPU一般拥有4～28个内核，而集群方案没有这样的限制[11]。二是单机平台和集群平台相比，可扩展性较差。尽管如此，单机平台依然得到了最广泛的应用，原因主要是集群平台有以下三个特点：(1)平台工作人员需要精通Linux,熟悉系统管理、作业调度系统和相关应用软件；(2)机房噪音大，房间周围需要消音设备，一般还需要其他的环境调节设备(如空调)；(3)平台造价相对高昂，淘汰升级快。比较而言，高性能单机计算平台更有优势，用几十万元左右的预算即可打造应用于智能设计领域的高性能设计仿真平台。高性能单机计算平台一般由三部分组成，具体如图6所示。一是超级仿真工作站完成最核心的仿真计算工作，尤其是可以解决计算规模大和算法先进复杂等问题，实现大算力，其并行计算功能也能在一定程度上满足多用户使用的需求。二是高性能前后处理工作站，用于大型复杂模型的设计、精密特征的建模和仿真前后的处理等。三是便携式设计开发工作站，用于设计流程优化、算法开发和演示等。

图6 高性能单机计算平台组成

实施第二种类型，平台可以全面支撑智能设计中最核心的能力，贯通设计、仿真、优化、集成开发等全方位设计手段，使仿真技术能够真正无障碍应用于工程对象，提升中小型合作企业以下几个方面的能力：(1)脱离临摹、基于数据的原始设计能力，从仿制走向自主创新；(2)基于真实工作场景的产品性能评估能力，从成本昂贵、时间周期长、需要在装备制造完成后进行检测和试验，进化为仅需要在产品设计完成后进行虚拟试验；(3)产品优化设计能力，不断提升装备性能；(4)利用虚拟技术全面提升解决产品研发中的精细问题的能力，提炼装备设计与制造中的关键核心技术，形成专利技术与装备设计知识库。

五、人才培养与技术迁移

对于装备制造企业而言，招工难已经是一个较为普遍的问题。这些企业为高职毕业生提供的现场操作人员等岗位，与学生的人生规划之间存在较大落差，导致学生对此类岗位比较排斥。而智能设计工程师工作环境好，能够参与企业的研发过程，此岗位对学生来说是一个理想的选择[12-13]。现在高职院校普遍开设数字化设计相关课程，部分学生已经掌握了UG、SolidWorks等三维设计软件，有了一定的技术基础。随着软件技术的进步，仿真软件应用门槛已经大大降低，富有经验的教师通过编制相应的仿真作业指导书和现场指导，已经可以使接受能力比较强的高职学生很好地掌握相应技术。实际工程中的产品设计和仿真工作以及通用型的设计和仿真工作都有各自的特殊性，同时由于实际产品设计中存在大量的不可控问题(如需求变更、设计方案变更)，学生的能力需要在项目进程中动态提升，而学生掌握的技术能力对企业而言具有很强的适应性和较高的不可替代性。对学生而言，不论是工作环境、岗位要求还是成就感，这一工作都能较好地符合他们的就业预期[14]。

高职院校为企业提供未来的智能设计人才，需要制订相应的培养方案，从校企两个角度采取有针对性的培养措施。具体措施如下：从学校角度出发，要修订完善专业人才培养方案，使课程设置与学生完成项目的基础能力有效衔接。大一除了开设工程力学和机械设计基础课程，还可以开设数字化设计基础等课程，让学生在大二以前就获得应用三维设计软件的能力。大二的第一学期可以开设仿真分析主流应用软件选修课程，让一部分学有余力的学生初步掌握先进的设计与分析工具，老师可以从中选择合适并有意愿的学生进入智能设计项目组。当在项目实施中需要更为专业的知识和技能时，参与的学生可以通过老师小范围讲座、项目组小组讨论和老师一对一指导等形式获得。从企业角度出发，学校老师在充分指导和把关的前提下，放手让学生在项目中担任重要角色，发挥重要作用，前期学生跟随老师定期参与企业的项目汇报，有条件的还可以参与企业内部产品的技术交流以及企业产品推介会和行业展会，拓宽视野，与企业提前磨合。在这一过程中，企业也可以同步考察学生，与学生提前确定就业意向，后期企业派遣骨干担任校外导师，帮助高职院校的老师和学生进一步了解企业的产品特点，发挥企业骨干的行业经验优势，与校内导师合作指导学生完成毕业设计，使学生能更快融入企业项目中，更好地成长成才，成为企业技术人才的后备力量。

值得一提的是，在企业和高职院校的研发合作过程中，企业往往占据主导地位，对于智能设计合作领域，企业在产品设计和制造过程中的部分关键技术难免会暴露在高职院校参研人员面前，这就导致企业顾虑重重。此时，可以借助政府支持的政产学研合作项目进一步深化合作。这样，企业和高职院校会进一步增强互信，打破技术壁垒，使高职院校在企业的产品研发过程中能真正进入关键阶段并提出系统方案，不仅解决单项技术，而且贯穿整个产品研发流程，从而在深度融合的基础上完成产品研发的技术迁移。