數據驅動設計

數據驅動的產品設計主要指的是，圍繞產品交互數據進行建模和分析，從而挖掘事物的相關性和隱藏 模式以協助產品設計的過程。隨著大數據時代的到來，在整個產品生命周期中已經生成了許多有價值的數 據。收集的產品數據包含大量的設計知識，有助於提高生產效率和產品競爭力。數據驅動的產品設計是一 種有效且流行的設計方法，可以支持設計師做出明智的決策。本書將圍繞數據驅動的產品設計，介紹設計 知識數據的獲取建模、挖掘和可拓派生技術，同時結合智能優化算法，分析數據驅動產品設計過程中的數 據感知解析辨識、約束傳遞模糊適配、魯棒學習可信評估、協同推理決策、多參數關聯性能反演、多目標 拓撲優化及異構設計數據集成技術等，為工程設計領域的從業人員瞭解相關數據驅動技術提供參考。

第 1 章 緒論 ............................................................................................................................. 001?
1.1 引言 ............................................................................................................................ 001
? 1.2 數據驅動產品設計的基本概念 ................................................................................ 002?
1.2.1 產品數據的概念和特徵 ................................................................................ 002?
1.2.2 數據驅動的產品設計過程 ............................................................................ 002
? 1.3 數據驅動產品設計的發展概述 ................................................................................ 003
? 1.3.1 數據驅動的需求分析偏好感知 .................................................................... 003?
1.3.2 數據驅動的概念設計 .................................................................................... 004?
1.3.3 詳細設計中的數據建模 ................................................................................ 006?
1.3.4 設計知識支持工具 ........................................................................................ 007?
1.4 本書的篇章結構 ........................................................................................................ 008?
第 2 章 產品設計知識獲取建模技術 ..................................................................................... 010?
2.1 引言 ............................................................................................................................ 010?
2.2 產品設計實例知識的分解 ........................................................................................ 011?
2.3 產品設計實例知識的形式化描述 ............................................................................ 012?
2.3.1 產品設計實例的一般描述方法 .................................................................... 012?
2.3.2 物元理論及其形式化方法 ............................................................................ 014?
2.3.3 產品設計實例物元模型的建立 .................................................................... 017?
2.4 產品設計實例的封裝 ................................................................................................ 022?
2.4.1 產品設計事物元 ............................................................................................ 022
? 2.4.2 關聯信息的建立 ............................................................................................ 028?
第 3 章 產品設計知識數據挖掘技術 ..................................................................................... 030?
3.1 引言 ............................................................................................................................ 030?
3.2 數據挖掘與產品知識信息 ........................................................................................ 031?
3.2.1 數據挖掘的基本概念與主要技術 ................................................................ 031?
3.2.2 可挖掘的產品知識信息 ................................................................................ 033?
3.3 基於粗糙集理論的產品設計規則知識挖掘 ............................................................ 034?
3.3.1 粗糙集理論與數據挖掘 ................................................................................ 034?
3.3.2 產品設計規則知識的挖掘過程 .................................................................... 039?
3.4 產品設計規則知識綜合 ............................................................................................ 043?
第 4 章 產品設計知識可拓派生技術 ..................................................................................... 044?
4.1 引言 ............................................................................................................................ 044?
4.2 產品構造模型知識的可拓集合 ................................................................................ 044?
4.2.1 產品構造模型的共軛特性 ............................................................................ 045?
4.2.2 基於共軛視圖的產品基本構造模型描述 .................................................... 046?
4.2.3 產品構造模型的知識拓展 ............................................................................ 048?
4.3 產品設計過程知識的可拓變換 ................................................................................ 057?
4.3.1 產品設計過程知識蘊含系統的建立 ............................................................ 057?
4.3.2 基於蘊含系統的變換派生 ............................................................................ 062?
4.4 產品設計過程知識的遞歸 ........................................................................................ 064?
第 5 章 產品期望性能數據感知解析辨識技術 ....................................................................... 066?
5.1 引言 ............................................................................................................................ 066?
5.2 產品期望性能閉環感知模型構建 ............................................................................ 067?
5.3 不確定條件下的期望性能遞推分辨率量 ................................................................ 070?
5.3.1 不確定性能語義分析與量化表達 ................................................................ 070?
5.3.2 期望性能正向重要度解析與度量 ................................................................ 072?
5.4 狀態感知反饋的期望性能綜合辨識計算 ................................................................ 074?
5.4.1 期望性能服役狀態感知反饋分析 ................................................................ 074?
5.4.2 基於性能損失的反向重要度確定 ................................................................ 075?
5.4.3 考慮互補關系的期望性能融合辨識 ............................................................ 077?
第 6 章 產品結構性能約束傳遞模糊適配技術 ....................................................................... 079?
6.1 引言 ............................................................................................................................ 079?
6.2 結構性能的約束空間分析 ........................................................................................ 080?
6.2.1 性能約束的分類與表徵 ................................................................................ 080?
6.2.2 基於粗糙集的約束空間約簡 ........................................................................ 081?
6.3 約束傳遞下關聯相似度確定及設計空間縮減 ........................................................ 084?
6.3.1 功能—結構模糊相似度分析及度量 ............................................................ 084?
6.3.2 性能約束傳遞下設計空間過濾縮減 ............................................................ 086?
6.4 基於離散差分進化算法的性能適配模型求解 ........................................................ 087?
6.4.1 結構性能適配的數學模型構建 .................................................................... 088?
6.4.2 基於約束水平關系的離散差分進化算法 .................................................... 089
? 6.4.3 約束滿足偏差最小的方案排序篩選 ............................................................ 092?
第 7 章 產品預測性能魯棒學習可信評估技術 ....................................................................... 094?
7.1 引言 ............................................................................................................................ 094?
7.2 產品多元設計變量降維 ............................................................................................ 096?
7.2.1 互信息估計的多元設計變量篩選 ................................................................ 096?
7.2.2 局部近鄰分析的異常誤差點判別 ................................................................ 097?
7.3 基於魯棒學習的產品預測性能回歸擬合 ................................................................ 099?
7.3.1 試驗樣本隨機採樣構建 ................................................................................ 099?
7.3.2 基於最小二乘支持向量回歸機的預測性能回歸擬合 ................................ 100?
7.3.3 回歸模型魯棒學習修正 ................................................................................ 103
? 7.4 基於區間估計的預測性能可信評估分析 ................................................................ 104?
7.4.1 可信性能區間估計的數學描述 .................................................................... 105?
7.4.2 基於 Bootstrap 的預測性能可信度計算 ....................................................... 105?
7.4.3 預測性能全局靈敏度分析 ............................................................................ 106?
第 8 章 產品概念方案協同推理決策技術 ............................................................................. 108?
8.1 引言 ............................................................................................................................ 108?
8.2 產品概念方案模糊積分評價 .................................................................................... 111?
8.2.1 透平膨脹機質量控制方案評價的基本問題描述 ........................................ 111?
8.2.2 基於模糊 Choquet 積分的透平膨脹機方案質量耦合評價模型 ................. 112?
8.3 產品概念方案集合的優劣排序 ................................................................................ 115?
8.4 產品概念方案證據推理團隊協同評價 .................................................................... 116?
8.4.1 證據理論的基本概念 .................................................................................... 117?
8.4.2 透平膨脹機質量控制方案的團隊一致性決策模型 .................................... 118?
第 9 章 產品結構多參數關聯性能反演技術 ......................................................................... 120?
9.1 引言 ............................................................................................................................ 120?
9.2 產品結構多參數關聯性能反演問題描述 ................................................................ 121?
9.2.1 多維幾何空間行為性能反演坐標系 ............................................................ 121?
9.2.2 多參數關聯行為性能反演目標分析 ............................................................ 125?
9.3 多參數關聯行為性能同倫反演算法 ........................................................................ 127?
9.3.1 多參數混合反演系統的建立 ........................................................................ 127?
9.3.2 幾何同倫行為性能反演實現 ........................................................................ 127?
9.4 同倫兩段分步的行為性能參數修正 ........................................................................ 130?
第 10 章 產品結構多目標拓撲優化技術 ............................................................................... 133?
10.1 引言 .......................................................................................................................... 133?
10.2 產品結構多目標優化算法及其改進 ...................................................................... 134?
10.2.1 基本 TLBO 算法及其流程 .......................................................................... 134?
10.2.2 TLBO 算法自信度權重的改進設計 ........................................................... 135?
10.2.3 TLBO 算法動態調整教學因子的設計 ....................................................... 136?
10.2.4 算法數值算例及對比 .................................................................................. 136?
10.3 產品結構拓撲優化數學模型 .................................................................................. 139?
10.3.1 拓撲優化問題變量描述 .............................................................................. 139?
10.3.2 拓撲優化數學模型與約束處理 .................................................................. 139?
10.4 不確定性拓撲優化模型建立與求解 ...................................................................... 141?
10.4.1 可靠性拓撲優化模型構建 .......................................................................... 141?
10.4.2 可靠性拓撲優化模型求解流程 .................................................................. 143?
10.4.3 穩健性拓撲優化模型構建 .......................................................................... 145?
10.4.4 穩健性拓撲優化模型求解流程 .................................................................. 145?
第 11 章 產品多領域異構設計數據集成技術 ....................................................................... 148?
11.1 引言 .......................................................................................................................... 148?
11.2 產品設計使能性能知識集成需求 .......................................................................... 150?
11.2.1 使能性能知識多領域數據表現形式 .......................................................... 150?
11.2.2 使能性能知識多領域數據集成約束 .......................................................... 151?
11.3 使能性能知識多領域數據接口 .............................................................................. 152?
11.3.1 使能性能知識多領域數據組件接口語義描述 .......................................... 152?
11.3.2 使能性能知識多領域數據組件接口系統模型 .......................................... 155?
11.4 使能性能知識的多領域數據集成 .......................................................................... 156?
11.4.1 使能性能知識多領域數據組件接口實現 .................................................. 156?
數據驅動設計

XIV
11.4.2 使能性能知識多領域數據組件接口訪問 .................................................. 158?
第 12 章 大數據驅動的產品設計應用案例 ........................................................................... 160?
12.1 電除塵器設計知識演化管理系統 .......................................................................... 160?
12.1.1 引言 .............................................................................................................. 160?
12.1.2 系統的應用背景與實施策略 ...................................................................... 160?
12.1.3 系統的體系結構與功能模塊 ...................................................................... 162?
12.2 數據驅動的大型註塑裝備設計系統 ...................................................................... 180?
12.2.1 引言 .............................................................................................................. 180?
12.2.2 大型註塑裝備結構性能建模與結構設計實現 .......................................... 181?
12.2.3 大型註塑裝備行為性能反演與目標性能優化 .......................................... 188?
12.2.4 大型註塑裝備設計系統與使能性能數據集成 .......................................... 202?
12.3 復雜鍛壓裝備性能增強設計及工程應用 .............................................................. 213?
12.3.1 引言 .............................................................................................................. 213?
12.3.2 系統的應用背景與體系架構 ...................................................................... 213?
12.3.3 系統集成平臺主要功能模塊設計與實現 .................................................. 215?
12.3.4 在 150MN 雙動充液拉深液壓機裝備設計中的應用驗證 ........................ 226?
12.4 大型空分設備質量控制系統集成與實現 .............................................................. 232?
12.4.1 引言 .............................................................................................................. 232?
12.4.2 系統的應用背景與實施策略 ...................................................................... 232?
12.4.3 HY-ASEQCS 系統的體系與功能模塊 ....................................................... 235?