谭建荣院士：创新驱动——通向制造强国建设之路

文｜（中国工程院院士、机械工程专家、浙江大学求是特聘教授）

世界新一轮科技革命和产业变革正在重构全球创新版图、重塑全球经济结构，这是我国推动高质量发展千载难逢的历史机遇。抓住机遇，就要以创新开辟发展新领域新赛道、塑造发展新动能新优势，依靠创新实现动力变革和动能转换。

近日，中国科学院科技战略咨询研究院联合中国科学院大数据挖掘与知识管理重点实验室针对我国科创典型案例进行调研时，遴选了高铁复兴号、北斗卫星导航系统、C919大飞机、方太集成烹饪中心、OPPO折叠屏手机、比亚迪新能源汽车等12项“科创新名片”产品。这些产品几乎是创新驱动中国制造迈向高端的突破性成果。

中国要从制造大国走向制造强国，创新驱动，设计要先行。设计是制造业发展的基础，没有先进的设计支撑，就没有先进的制造业。创新是设计的灵魂，通过创新设计，研发出具有新功能、新原理、新结构、新材料、新工艺的高端装备，是装备制造企业竞争取胜的重要手段，已成为高端装备制造业发展的必然趋势，也是促进我国从制造大国向制造强国转变的必由之路。

2022年，我国制造业增加值占全球比重近30%，制造业规模已经连续13年居世界首位。目前，中国制造业正在逐步实现由依靠“劳动力密集的制造业”转变为依靠“创新设计”和“智能制造”多轮驱动的发展模式，创新设计已经成为引领中国制造由“跟踪模仿”到“引领跨越”转变的关键之一。中国政府和企业也逐渐意识到创新设计在推动制造业发展中的重要支撑作用。

创新设计是创新理念与设计实践的结合，是一种利用人类已有的相关科技成果进行创新构思的实践活动。一般设计也存在创新，没有创新的设计不是真正意义的设计。但与一般设计相比，创新设计强调在新原理、新功能、新机构、新结构、新外观、新材料或新工艺等一个或多个创新要素方面与原产品有着本质的变化，能够满足用户或市场的新需求，并在市场竞争中取胜。

发达国家的制造企业往往具有一流的创新设计能力。例如美国通用电气公司（GE）创造的无数个“世界第一”便与其强大的创新设计能力分不开，其不仅注重市场导向下的创新设计，也关注绿色生态化的创新设计，形成了GE的“绿色创想”战略。

近年来，我国在高端装备制造领域也取得了重要进展与突破，创新设计的相关方法与技术逐渐得到广泛应用，并成为解决高、精、尖复杂装备制造难题的核心技术之一。许多知名企业与科研院所在航空航天装备、盾构掘进装备、深海探测装备、轨道交通装备等一系列高、精、尖复杂装备设计研发中取得了重要成果。例如，我们大家熟知的国之重器——“中国天眼”FAST射电望远镜，就是我国高端装备制造领域取得的典型创新成果之一。FAST射电望远镜是我国具有自主知识产权、世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜，反射与接收面积约25万平方米，相当于30个标准足球场。研发团队通过突破原有的馈源舱刚性支撑模式，提出柔性并联驱动轻量化支撑模式，将扫描天区范围扩大2倍，达到40度天顶角，同时大大减轻馈源支撑系统质量，再结合超大跨度柔性并联索精确定位定姿与高性能电磁屏蔽等技术创新，使得FAST的综合性能达到了美国著名的300米射电望远镜阿雷西博的十倍。

同样，在与我们生活密切相关的家用电器领域也不断涌现出一系列具有市场竞争力的创新产品，例如，方太通过创新引入航天同源科技构建了云腾智驱引擎技术，基于动力增压、整流降噪、智能巡航三大核心技术研发，实现了对“空间限制与动力需求”“风量与噪音”“标准产品与复杂用户环境”三大矛盾的协调平衡，以航天理论和创新科技突破传统技术的瓶颈，为中国厨房提供了集成烹饪中心这样的美好生活厨电产品。方太集成烹饪中心的设计也同样汲取了中国空间站的设计建构灵感。在设计之初就整体规划了水、电、气、烟、信号的互通与和谐共处，对核心部件的功能协调、是否重复占用空间、工业美学设计等多个难点进行各个攻破，最终达成功能、专业、空间、美学、智慧等多个维度的全面协调。

但是，我们也应该看到，目前我国在复杂装备、高端装备的设计方面仍以仿制为主，缺乏核心技术，究其本质还是在于创新设计的理论方法基础尚且薄弱，这也是导致我国复杂装备创新设计能力缺乏，国产装备与发达国家的装备（尤其是高端装备）在性能、质量、可靠性等方面存在较大差距的一个重要内在原因。创新设计理论方法研究是复杂装备自主设计的先导，是装备原始创新的源泉。创新设计有别于一般的设计，有其自身的知识体系、内在逻辑及科学问题。长期以来，由于缺乏对创新设计的基础科学问题和理论方法与技术体系的研究，我国复杂装备创新设计往往停留在理念、技法甚至口号层面，难以形成适合中国企业特点、具有可操作性的创新设计理论、方法、技术与工具。

我们课题组曾经系统调研过创新设计基础研究的国内外现状，通过调研分析发现，美国、日本、德国等发达国家普遍重视创新设计基础研究，相关的研究课题数量较多，资助力度较大；相比之下，我国的创新设计基础研究涉及的广度、深度和资助力度还有待进一步提升。同时，为掌握我国装备制造业企业创新设计能力现状及对应用创新设计基础理论方法的需求，我们课题组前往多个典型制造企业，针对创新设计的发展现状进行了实地调研。通过调研发现，我国装备典型制造企业在创新设计方面普遍存在缺乏产品创新设计方法学的指导、多领域耦合与多学科协同的产品创新技术偏弱、面向创新设计的知识库构建与大数据分析能力不足、支撑产品创新设计的数字化智能化工具集研发偏弱、创新设计专业人才严重缺乏等问题。

从“制造大国”到“制造强国”的发展转变，对我国装备制造业，特别是高端装备制造的产品创新设计能力提出了更高的要求。纵观典型制造企业产品设计不同阶段，创新设计基础理论、创新设计关键技术以及创新设计专业人才始终是产品创新设计的重要依托。因此，要提升我国装备制造业的创新能力，主要需要在以下三个着力点持续发力。

（1）加强创新设计基础理论研究。产品的发展离不开全生命周期的创新设计，涉及产品的需求、功能、结构、物理、工艺、工业、市场等七个方面。需要从创新设计认识论、方法学与工具集三个层次入手，突破创新设计的认知机理与思维规律层次模型，在创新设计中概念形成与知识表达传递理论，创新设计功能、机构与结构的关联映射，创新设计复杂性分析、冲突分析与问题求解，创新设计成本分析、价值和人文分析等复杂装备创新设计基础研究共性科学问题。

（2）加强创新设计关键技术研究。我国的产品设计从最初的仿制设计，到后来的逆向设计，长期都处于跟踪模仿的阶段。要真正创新设计，必须首先要正向设计：包括设计概念正向生成、设计信息正向传播、设计性能正向预测。从概念形成、概念设计、功能设计、整机设计、布局设计、结构设计、装配设计、性能设计、精度设计、工艺设计，实现正向设计全过程的创新，只有这样才有可能实现真正的创新设计。基于技术创新、商业创新、人本创新、文化创新的深度融合，全面推进创新设计技术的发展。我们课题组调研的企业——方太，所处行业被认为是最不容易发生创新的，但此次入选“科创新名片”的方太集成烹饪中心，历经20000次的摩擦实验后，凝结超过3700件技术专利和自由悬停、阻抗复合降噪风道、多维蒸汽绕流技术、高温湿度传感器等12项行业首创技术来支撑起创新，才诞生出一款集专业级烟、灶、蒸、烤等烹饪功能为一体的集成厨电产品，带来了我国高端厨房生活的新展望。其中，为了克服在有限空间内实现极致性能的矛盾难题，方太开发了全新的稳压腔设计——利用升降结构，在风机进口前端巧妙地布置了稳压腔，稳定气压波动、减少湍流脉动，让气流有序地进入风机，发挥更高性能，突破传统欧式机的性能界限，在追求尺寸超薄的同时，实现了最大风量。

（3）加强创新设计专业人才培养。需要制定我国制造业创新设计发展的产业政策，加快构建以企业为主体、市场为导向、产教研学用协同的创新人才培养机制；发展各类创新设计教育，构建创新设计人才培养体系，在基础教育、职业教育、高等教育、继续教育等各层次开展创新设计教育及人才培养，拓宽现有专业培养方案，重点培养创新设计基础研究和应用研究方面的专业人才。高校，特别是高水平研究型大学作为创新设计人才培养的高地，应积极主动地谋划和探索创新人才培养方式，把高校多学科交叉的优势转化为创新人才培养的优势，加大创新能力、创新精神的培养力度，培养高水平复合型创新人才。

展望未来，大模型驱动的创新设计，将是创新设计发展的重要趋势之一。将大模型与产品设计有机融合，利用大模型对海量设计知识的强拟合、泛化和推理能力，辅助产品创新设计更高效地利用新知识、新技术，跳出依赖专家知识的设计思维定式，解决设计过程中繁杂设计参数选取困难、产品设计性能难以预测、客户需求模糊等问题，提高产品设计的效率，设计出具有新颖性、创造性和实用性的新产品。当前，国内外大模型的应用主要集中于互联网、金融、医疗、教育与软件开发等方面，基于大模型的产品创新设计研究仍处于起步阶段。未来我们可以期待，通过构建产品创新设计的领域大模型来提升高端装备创新设计专业化需求的响应能力，必将强力助推我国由“制造大国”向“制造强国”的发展转变。

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