数据驱动设计
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前言

随着人工智能技术的发展,智能制造将计算机和信息科学技术集成到制造业中,以实现灵活、智能的制造过程,从而响应动态的市场需求。在智能制造的背景下,信息技术被深度地集成到先进的制造技术中。随着物联网和边缘计算等先进信息技术在制造业中的应用,产品全生命周期过程已经积累了大量有价值的数据。如何运用智能制造系统的资源数据来管理产品生命周期过程,对于增强制造业价值链具有重要意义。

数据驱动的产品设计主要包括根据产品和系统运行数据对产品和系统方案进行改进,可以实现生产过程的数字化,同时将用户、产品和生产过程联系起来以提高设计效率。产品设计数据可以提高管理能力和质量,根据市场需求及时调整方法,增加产品的吸引力。在用户体验方面,信息也可以及时反馈以满足要求。在产品使用过程中,对收集到的数据进行分析还可以增强对消费者的了解。作为研究基础,数据驱动的产品设计对产品创意和设计效率具有重要影响。

本书全面系统地讲述了与数据驱动的产品设计有关的理论、方法和智能系统的开发技术及应用案例。全书包括12章内容,介绍了设计知识数据的获取建模、挖掘和可拓派生技术,同时结合智能优化算法,分析了数据驱动产品设计过程中的数据感知解析辨识、约束传递模糊适配、鲁棒学习可信评估、协同推理决策、多参数关联性能反演、多目标拓扑优化及异构设计数据集成技术等,为工程设计领域的从业人员提供参考。

第1章,介绍数据驱动产品设计的基本概念及其研究现状,梳理了数据驱动产品设计的主要研究内容,包括:数据驱动的需求分析偏好感知、数据驱动的概念设计、详细设计中的数据建模和设计知识支持工具。

第2章,以产品设计知识获取为核心,介绍了产品设计实例知识的基本概念。同时,基于物元理论建立了产品设计实例信息模型,提出了事物元的形式化方法。

第3章,以产品设计知识数据挖掘技术为内涵,介绍了数据挖掘与产品设计知识的基本概念。基于粗糙集理论的应用,提出了产品设计规则知识的挖掘方法。

第4章,以产品设计知识派生为主体,介绍了产品构造模型知识的可拓集合和产品设计过程知识的可拓变换的基本概念。基于产品设计知识模型,提出了产品构造基本模型和产品设计过程蕴含设计知识的派生方法。

第5章,以产品期望性能为核心,介绍了产品期望性能闭环感知模型的基本概念。基于期望性能在设计域中的多重传递叠加,提出了基于状态感知的产品期望性能解析辨识技术。

第6章,以产品结构性能适配为核心,介绍了结构性能约束空间的基本概念。构建了以成本、质量及物理相容性为目标的性能适配数学模型,提出了基于约束水平的离散差分进化算法对带约束的适配过程进行多目标求解方法。

第7章,以产品预测性能分析为主体,介绍了性能分析过程的训练数据、回归模型与预测结果三个维度,提出了基于鲁棒学习修正的预测性能可信评估与校核技术。

第8章,以产品方案质量评价为核心,介绍了透平膨胀机质量控制方案评价的基本概念。进一步采用Dempster/Shafer证据理论来集结各个评价专家的不同评价结果,得到团队协调性决策意见,从而为透平膨胀机质量控制方案评价提供一种新的思路。

第9章,以产品结构参数关联为核心,介绍了多参数关联行为性能反演问题的基本概念。提出了一种将数值求解与多维几何结合的多参数关联行为性能反演技术,实现理论计算数据与实际测试数据的拟合。

第10章,以产品结构拓扑优化为主题,介绍了不确定性条件下产品结构的拓扑优化方法。提出了一种基于改进TLBO算法的产品结构拓扑优化求解技术,实现产品结构的设计在经济性与安全性间趋于一定平衡。

第11章,以产品设计数据集成为内涵,介绍了产品设计过程使能性能、知识多领域数据集成的基本概念。提出了适应产品设计过程使能性能、知识集成性能数据应用程序接口的体系结构、设计实现和访问方法,用来解决使能、性能知识多领域数据集成的问题。

第12章,以电除尘器设计知识演化管理系统、数据驱动的大型注塑装备设计系统、复杂锻压装备性能增强设计及工程应用、大型空分设备质量控制系统集成与实现等为例,介绍了大数据驱动的产品设计在重大装备产品中的应用案例。

撰写本书各章的作者如下:

第1章,谭建荣、冯毅雄;

第2章,马辉、谭建荣;

第3章,马辉、谭建荣;

第4章,马辉、冯毅雄;

第5章,郑浩、冯毅雄;

第6章,郑浩、冯毅雄;

第7章,郑浩、冯毅雄;

第8章,安相华、谭建荣;

第9章,魏喆,谭建荣;

第10章,田钦羽,冯毅雄;

第11章,魏喆,谭建荣;

第12章,谭建荣,冯毅雄。

全书由谭建荣、冯毅雄、娄山河、曾思远修改并统稿。

由于相关的研究工作还有待继续深入,加之受研究领域和写作时间所限,瑕疵和纰漏在所难免,在此恳请读者予以批评指正,并提出宝贵的意见,激励和帮助我们在探索数据驱动的产品设计理论与方法研究之路上继续前进。

本书中的部分研究内容得到国家“973”计划项目、国家“863计划项目”和国家自然科学基金资助项目的支持,特此感谢。

作者

2020年9月于求是园