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AVM重新发明制造业 | 软件定义制造业SDM 编号005
是什么阻碍了传统制造业的快速发展？
（本文为“软件定义制造业”系列，版权归公众号《知识自动化》所有）重新发明制造业Reinvent manufacturing能否大幅度缩短大型复杂装备系统的研制周期，向集成电路产业的高速研发模式靠拢？让“摩尔定律”不仅适用于IC行业，也适用于更多的产业，适用于像航空航天等大型复杂装备制造业。
不信邪的来了。
一向以“前沿地貌似不靠谱”的美国国防高级预研局（DARPA）决意挑战这一难题。自适应运载器制造AVM（Adaptive Vehicle Make）计划，于2010年启动。
口号依然是DARPA范：重-新-发-明-制-造-业。AVM计划，从一开始就瞄准了如何在陡峭的复杂度、研发周期以及成本的上升轨道中，成功载入“摩尔定律”的密符，从而实现缩短复杂装备系统研制周期的“惊险一跳”。AVM关注从复杂武器系统概念设计到全尺寸物理样机建造的整个研制过程，目的是开发全新的、基于模型的数字化设计、验证和制造技术，从根本上变革现有的研制模式，将型号研制的周期压缩为原计划周期的五分之一。也就是说，原来需要十年的复杂装备产品制造，将只需要二年。
什么叫创新？这异想天开的想法就是创新。
而且，居然能通过审批，并获得超过3亿美元的投资。
AVM计划以“一次性建造无误”为努力目标，致力于研究基于模型的系统设计、验证方法和工具体系，通过可制造性的即时反馈和柔性化的生产配置技术，以快速适应设计端的制造要求，更为重要的是AVM通过建设开放式网络协同设计平台，在国防领域开创了众包与设计平台开源化的先河。大财主家也没有余粮即便是对于财大气粗的美国国防采办，如今也是捉襟见肘，这从美国前后三代主力战斗机成本变化可见一斑。美国第二代主力战斗机F-4，它的造价是200万美元，生产了大约5000架；美国第三代主力战斗机F-15，它的造价是2000万到3000万美元，生产了大约1000多架，装备了美国和整个北约；第四代主力战斗机F-22，它的造价是1.4亿美元，如果把前期研发费用也加上，它的造价会高达3.4亿美元，整个全美也就180多架。表1 主力战机成本一览表尽管美国的国防预算呈线性增长趋势，但仍然无法应付国防采购项目成本指数式的增长，洛克希德•马丁公司前总裁诺曼•奥古斯丁在在1984年曾预言指出，50年内很可能出现美国的全部国防预算仅能购买1架战术飞机的局面。
迟迟未能投装使用的F-35，同样耗资巨大，成为制造业的成本黑洞。
与此形成鲜明对比的是，IC制造业的神奇增长，让传统制造业惊羡不已。
模块化分工集成电路制造业遵循着“摩尔定律”，即当成本不变时，集成电路芯片上可容纳的晶体管数目，每隔18～24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。在过去50年里成本复合增长率基本上为零，那么集成电路制造业里发生了什么呢？传统意义上的集成电路公司是IC设计与制造的垂直一体化，但由于集成电路制造所需的设备、原料耗资巨大，因此一般规模的公司根本无力承受。一旦发生工艺能力的跃迁（如从22纳米工艺进步到14纳米工艺），工艺设备的更换就会极大恶化公司的经营。因此专业分工出现了，集成电路行业逐渐地形成了IC设计（fabless）、晶圆制造、封装测试三种类型的公司。可以说，集成电路行业正是依托于知识经验的重用框架，以及社会化专业大分工，不断重复着“摩尔定律”的奇迹。实际上，可重用技术模块化，以及利用模型实现一次制造成功，是集成电路行业的关键。
这一点，对于理解当下的智能制造的根基和“软件定义制造业”，具有非常深刻的意义。
神奇因子在AVM计划中，包括一系列子项目的组合：基于模型的设计验证方法与工具META、快速的自适应工厂（iFAB）、新一代快速自适应的地面载具，以及为了满足大规模协同而打造的开源云平台，其中包括VehicleFORGE项目。
图1 AVM计划的构成
META是一种赛博物理编程语言，它基于组件模型库和可执行要求，实现组合建模和仿真，可最大程度减少在设计后期发现缺陷而不断修改的迭代过程，避免现有系统设计过程中的“设计—制造—测试—再设计”的循环，有利于大幅缩短研制周期，将设计风险降低到可控的范围。而快速的自适应工厂（iFAB），则是一种电子代工概念，它根据制造约束自动权衡设计方案，自动作出工艺规划。通过对制造能力进行快速配置，实现快速自适应生产多种类型产品。既能进行大规模高效生产，也能以同样效率实现原型制造，从而实现传统制造无法做到的高效率与灵活性的统一，大幅度缩短研制周期。这才是最为震撼的协同制造！
它已经来了。
VehicleFORGE提供虚拟化的协作环境和云端基础架构，以及完成设计制造任务所需的集成设计环境，协同分散于不同地理位置设计团队的设计活动，更为重要的是实现社会化专业分工的转变，打造组件提供、分析仿真服务、制造代工服务的生态环境，共同促进“摩尔定律”在复杂装备制造业的实现。如果说VehicleFORGE为AVM的工程化应用奠定了平台基础，那么MENTOR项目主要瞄准的则是高校学生，希望吸引年轻一代参与到一系列协同分布式制造和设计实验中来，让参与的学生熟悉大奖挑战赛的规则，并接受分布式的数字化制造思想，促进高校团队在中等复杂度的赛博物理系统开发上互相竞争，如移动式遥控装置、小型无人机等。知识组件化、功能模块化、经验软件化，是AVM给人们留下的至为深刻的印象。正在上演的好戏2013年4月，DARPA公布了AVM计划FANG1挑战赛的获胜者，初步测试结果表明，AVM的原型设计工具可以生成可行的设计，并在制造工具和过程中能够正确、迅速地实现这些设计。2014年2月，DARPA宣布将通过新的数字化制造和设计创新研究机构（DMDII），来把AVM 项目的成果转化到国防和民用工业，至此AVM计划将以其它的形式掀开新的篇章。AVM计划秉承开放式创新的理念，以软件定义制造的方式，构建出虚拟的设计和制造空间，联接、整合分散的专业设计团队，弥合、重组关键的制造资源，激发着互联网化的社会化分工和协作。尽管在AVM计划存续的四年多的时间里，并没有完整地测试和建造一个完整的型号，但在模型化设计、验证和快速制造，以及知识的商业化封装、互联网化设计制造协同方面进行了积极的探索，将为国防军工等复杂装备制造业注入革命式的力量，颠覆既有的垂直一体化的制造格局。这才是颠覆性工业革命的真正序曲。
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