推动智能制造，为什么要从设计去突破？
高亮
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写在前面：
2015年发布的《中国制造2025》，将智能制造定位到了国家战略高度，智能制造愈发受重视。
但在实际推进中，应该如何实现“智能”？又是否只涉及“制造”一环？
在高亮看来，智能制造离不开两个重要因素：设计与调度。
设计是制造的前提，现存设计流程冗长而复杂，如果能拥有类似于“一键美颜”的能力，让系统按要求实现自动化设计，我们将在设计领域掀起一场革命。
调度贯穿于制造的整个流程，尽管现代工厂把调度管理优化到极致，但仍然还没有达到“最优解”，若能实现智能调度，企业效益还可以更进一步提高。
为了解决这些痛点，高亮和他的团队展开了探索。
华中科技大学教授，2019年“科学探索奖”先进制造领域获奖人。
获奖理由：肯定他在基于拓扑优化的数字化设计领域取得的成果，鼓励他继续采用等几何拓扑优化技术，探索并实现cad、cae与拓扑优化的一体化。
3d打印技术（增材制造），相信很多人都有所耳闻。
作为一项颠覆性技术，它帮助设计人员把设计资料转化成为实体物件，解决了过去设计得出、却造不出的问题。
图源：pixabay
我们知道，设计是制造的先导，尤其是数字化/智能设计技术，将成为智能制造的重点。
但设计是一件非常复杂的工作，往往需要消耗大量的时间和人力。我们有没有可能像3d打印机一样，让设计实现自动化呢？这成为我思考和探索的重点。
在这里，我们有必要介绍一下当今设计的发展情况：
进入现代社会，我们先是在图板上制图，计算机出现后，转而通过计算机辅助设计（computer aided design，简称cad）。
常见的设计图纸
从二维cad到三维cad，人类本质上是在画图（drawing），并不是真正的设计（design），而后还需要用计算机辅助工程（computer aided engineering，即cae）进行分析，如果不满足设计要求，还得重新设计——分析——再设计……
有没有这样一种可能：只需要确定设计空间、设计目标和设计约束，计算机就能在完成cae分析的基础上，自动完成零部件的三维设计呢？
基于拓扑优化的数字化设计技术，将有机会把这种可能变为现实。
拓扑优化方法不仅能缩短设计周期、提升设计质量，而且可以解决经验设计难以解决的复杂设计问题。
卫星推进舱主承力结构优化过程。设定好目标后，我们可以让系统自动给出最优的设计方案
通过基于边界描述的拓扑优化“算出结构”，我们可以将几何建模和优化设计融为一体。
但是，目前还无法准确实现结构分析，因为当前的结构分析主要是基于「有限元」（一种工程分析手段），其模型与cad模型存在差异。
我们还需要一种新的技术，让cad、cae、拓扑优化真正融合，那就是等几何分析技术。
近几年来，我带领团队在拓扑优化领域进行了深入地学习与探索，开展基于参数化水平集与等几何分析的理论研究，认为该方法对于推动新一代数字化设计的实现具有重要意义。
首先，从设计方法角度而言，将参数化水平集方法与等几何分析方法相结合，能够使设计与分析过程相统一，得到清晰且光滑的结构，不仅提升了设计效率，而且为后续生产制造环节提供了便利。
这将确保数字化设计与分析一体化，极大缩短了产品的开发周期、降低研发成本，为实现智能制造和智能生产提供了理论基础。
同时，考虑到实际工业应用中的特殊环境以及特定需求，我们还考虑将这一方法用于设计具有特殊性能的新材料、新结构，如超材料设计、材料/结构一体化设计等。
参数化水平集方法
除此之外，我们也希望借此为新型工业软件奠定基础，工业软件的高效应用是实现智能制造的核心要素，是帮助我们将“概念”变为“现实”重要的工具。
最终，我们将会努力打造出一个能够实现整个产品生命周期的设计平台，通过该平台，将设计、工程、制造到后期的用户体验环节有机地统一起来。
等几何拓扑优化设计
不妨畅想这样一个画面：通过“技术——软件——平台”这种演进路径，在完备的数字化设计平台的引领下，从设计到生产，从制造业到产业链，我们今后将为产品个性化设计的实现提供可能。
届时，我们将不再受传统设计与工程问题的局限，通过强大的工业化平台，将概念变为现实。
采访手记：
“没有想过，我觉得能把自己现在要做的三件事做好就行了，其实人一辈子能做好一件事情就很不容易，我还比较贪心，想做三件事情。”
问起高亮最想成为的人物是谁，他想了一会儿，给我们回复道。
第一件事当然是基于拓扑优化的数字化设计，高亮想把它变成一个人人都能用的工具，从3d打印的“所见即所得”更前一步，做到“所思即所见”。
第二件事是推动调度技术的进步，在调度优化方面，高亮团队已经创造了多个世界纪录，并在许多产业有所应用。
至于第三件事，高亮希望我们先不写上，“等做出来再说”。
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实习生吴星莹对本文亦有贡献
注：本文转载自科学探索奖。
