正向设计为何姗姗来迟？

导读

这两年，新冠兴风作浪，但还是没能掩盖住那个在风浪中出没的另类生物——中国自主工业软件！这两年，对中国工业软件来说是大拐之年。跟高端芯片一样，国产工业软件、工业软件人和工业软件组织也被罕见地高光照射。 

长期以来，中国高端装备的研发主要采用跟随仿制的策略。我国多数工业企业只具备逆向工程能力，难以产生创新性设计，产品的功能和性能远不及仿制对象。更为严重的是，长期跟踪仿制和逆向设计形成了基因性后遗症，科技人员普遍存在害怕创新的保守心态，整个工业体系缺乏产品正向设计的理论和实践，甚至对正向设计的理解都一知半解，似是而非。 

一、什么是正向设计   

美国科学家PAUL ROOK 1980年提出软件工程V模型，目的是减小BUG和ERROR出现的概率。V模型是对瀑布模型的修正，强调了验证活动，它反映了测试活动与分析和设计的关系。如图1（a）所示。

图1.复杂产品的研发过程

系统工程科学家们认为PAUL ROOK提出的V模型适合于普适系统工程（其实，软件工程本身就是一种系统工程过程），于是就将此模型修订为系统工程V模型，反映了系统开发的技术过程。不同系统工程学派、企业和机构的研究与实践所采用的V模型具有一定差异，这些模型具有不同的流程边界划分方式，某些流程活动名称相似但内涵不同。我们综合系统工程的经典理论和在中国企业的实践，提出了如图1（b）所示的系统工程V模型。

表1给出了产品研发过程V模型的说明。其中，第1至9是系统工程内部流程，而第0（涉众需求）和第10（系统验收）则是对外流程。考虑到各学派和不同实践中所用名称的差异，本表也给出了相似过程的其他常见名称。

表1. 系统工程V模型说明

如图1-6（b）所示，理想产品设计过程的起点是涉众需求，经过需求定义、功能分解、系统综合、物理设计、工艺设计、产品试制、部件验证、系统集成、系统验证和系统确认等阶段，最后完成产品的验收。该模型有两个特点：1）是标准的对称模型；2）设计的起点很高。

一个完整的正向设计过程必须是从涉众需求开始，正确完整地走完V模型，任何一个子过程都不应该将就甚至省略。V模型的左半边是产品（系统）的设计过程，右边部分是产品交付，同时又是对左边相应部分的验证。如果验证出现问题，会检查左边等高的相应流程进行修正。这个过程称为“正向设计”，而图2（左）则是正向设计模型。

图2.基于V模型的正向设计和逆向工程

但通常来说，企业发展历程都会经历一个逆向工程过程。产品设计起始点不是涉众需求，而是从V模型中间某个点开始，如图2（右）所示。“物理设计”是中国企业的常见起点，本阶段仿照已经存在的产品，完成图纸绘制，进入试制和验证各阶段，完成产品交付或推向市场。V模型的右边出现问题时，由于没有左边可对应，所以只能回溯到前一阶段查询和解决问题。当回溯到物理设计阶段仍然解决不了问题时，就会成为永远的问题。清醒的企业会有意识地研究物理设计之前的各个过程，追溯和还原仿制对象的本源，当然，这样只能还原部分本源。以上的过程我们称为“逆向工程”，图2（右）则是逆向工程模型。相对正向设计，逆向工程模型也有两个特点：1）是不对称的残缺模型；2）设计起点较低。

逆向工程是一个跟踪仿制的模型，由于缺少需求定义、功能分解和系统综合三个重要的子过程，所以很难对产品进行大幅度创新。因此，只有正向设计体系才为我们提供架构性和颠覆性创新，最高超的仿制也只能产生最好的二流产品。

二、正向设计能级   

依据产品设计的起点可以评判一家企业的设计能力。从V模型的哪个阶段入手设计产品，基本可以断定该企业的设计能力就是这个起点所对应的能级。这样，可以把企业设计能级（成熟度）分为五级：仿制级、逆向级、系统级、正向级和自由级，如图3所示。各级别的总体特征描述如下：

◉能级一：仿制级。本等级的定位是：基于现有图纸的制造。总体特征为：对产品的物理设计参数有清晰的理解，具有工艺设计能力，对现有产品可做少量改进；

◉ 能级二：逆向级。本等级的定位是：基于现有产品的设计。总体特征为：对产品的系统架构和运作逻辑具有清晰的理解，可以根据现有产品或系统可进行逆向设计形成“新产品”或“新系统” 

图3.企业正向设计能级

◉ 能级三：系统级。本等级的定位是：基于系统架构的设计。总体特征为：对产品或系统的功能架构具有清晰的理解，根据功能架构进行系统架构的设计与仿真，可以对物理产品的参数提出清晰的要求，必要时可进行物理设计；

◉ 能级四：正向级。本等级的定位是：基于功能分析的设计。总体特征为：对产品或系统的技术需求和指标具有清晰的理解，可以根据技术需求进行功能分解与分析，进而进行系统架构的设计与仿真，对物理产品的参数提出清晰的要求，必要时可进行物理设计。从本级别开始，研发过程呈现出正向设计的特征。

◉ 能级五：自由级。本等级的定位是：基于用户需求的设计。总体特征为：具有完全和自由的正向设计能力，可以从客户需求（涉众需求）进行技术需求的深入开发和确认，形成产品或系统的指标体系，根据技术需求和指标进行功能的分解和分析，进而进行系统架构的设计与验证，对物理产品的参数提出清晰的要求，必要时可进行物理设计。

三、正向设计姗姗来迟   

正向设计虽然是产品的创新创造的必备过程，但实施起来并不容易。无论是工具、过程、能力还是管理体系，相对于逆向工程体系都是巨大跨越。因此，虽然国家工业体系一直对此保持着认知，一直呼吁高质量发展、转型升级和创新发展，但在投入产出比掂量不清和得过且过的氛围下，一直没有成为工业主流。

但今天的中国已经不允许我们再维持逆向工程道路，其已成为国家和工业发展的瓶颈。国际势力不失时机地启动打压战略，对本国先进技术的封锁到达了前所未有的程度，国际一流的可仿制对象也不可能再轻易进入中国。其实，中国工业水平自身的发展，使得国际上可仿制的工业品本身就越来越少。

所以，我国工业体系走正向设计道路，不仅是外力使然，更是内生需求。前文提到，自2019年起，中国人均GDP超过一万美金，意味着中国进入中等收入国家，也面临中等收入陷阱，必须从要素驱动的发展模式转型创新驱动模式，才能跨越陷阱，进入下一个发展赛道。自主创新的关键就是要建立正向设计体系。过去，我们一直强调和呼唤正向设计而不得，但在当前局面下，这已不再只是美好生活的一个选项，而是中国工业活下去的刚需。

所以，逆向工程模式已经完成了历史使命，正向设计势在必行。于是，二十一世纪的第三个十年，中国正向设计时代来了。虽然姗姗来迟，但一切都还来得及！

审核编辑 ：李倩