数据驱动的产品设计主要指的是，围绕产品交互数据进行建模和分析，从而挖掘事物的相关性和隐藏 模式以协助产品设计的过程。随着大数据时代的到来，在整个产品生命周期中已经生成了许多有价值的数 据。收集的产品数据包含大量的设计知识，有助于提高生产效率和产品竞争力。数据驱动的产品设计是一 种有效且流行的设计方法，可以支持设计师做出明智的决策。本书将围绕数据驱动的产品设计，介绍设计 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了解相关数据驱动技术提供参考。

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 2022年9月于求是园

第 1 章 绪论 ............................................................................................................................. 001? 1.1 引言 ............................................................................................................................ 001 ? 1.2 数据驱动产品设计的基本概念 ................................................................................ 002? 1.2.1 产品数据的概念和特征 ................................................................................ 002? 1.2.2 数据驱动的产品设计过程 ............................................................................ 002 ? 1.3 数据驱动产品设计的发展概述 ................................................................................ 003 ? 1.3.1 数据驱动的需求分析偏好感知 .................................................................... 003? 1.3.2 数据驱动的概念设计 .................................................................................... 004? 1.3.3 详细设计中的数据建模 ................................................................................ 006? 1.3.4 设计知识支持工具 ........................................................................................ 007? 1.4 本书的篇章结构 ........................................................................................................ 008? 第 2 章 产品设计知识获取建模技术 ..................................................................................... 010? 2.1 引言 ............................................................................................................................ 010? 2.2 产品设计实例知识的分解 ........................................................................................ 011? 2.3 产品设计实例知识的形式化描述 ............................................................................ 012? 2.3.1 产品设计实例的一般描述方法 .................................................................... 012? 2.3.2 物元理论及其形式化方法 ............................................................................ 014? 2.3.3 产品设计实例物元模型的建立 .................................................................... 017? 2.4 产品设计实例的封装 ................................................................................................ 022? 2.4.1 产品设计事物元 ............................................................................................ 022 ? 2.4.2 关联信息的建立 ............................................................................................ 028? 第 3 章 产品设计知识数据挖掘技术 ..................................................................................... 030? 3.1 引言 ............................................................................................................................ 030? 3.2 数据挖掘与产品知识信息 ........................................................................................ 031? 3.2.1 数据挖掘的基本概念与主要技术 ................................................................ 031? 3.2.2 可挖掘的产品知识信息 ................................................................................ 033? 3.3 基于粗糙集理论的产品设计规则知识挖掘 ............................................................ 034? 3.3.1 粗糙集理论与数据挖掘 ................................................................................ 034? 3.3.2 产品设计规则知识的挖掘过程 .................................................................... 039? 3.4 产品设计规则知识综合 ............................................................................................ 043? 第 4 章 产品设计知识可拓派生技术 ..................................................................................... 044? 4.1 引言 ............................................................................................................................ 044? 4.2 产品构造模型知识的可拓集合 ................................................................................ 044? 4.2.1 产品构造模型的共轭特性 ............................................................................ 045? 4.2.2 基于共轭视图的产品基本构造模型描述 .................................................... 046? 4.2.3 产品构造模型的知识拓展 ............................................................................ 048? 4.3 产品设计过程知识的可拓变换 ................................................................................ 057? 4.3.1 产品设计过程知识蕴含系统的建立 ............................................................ 057? 4.3.2 基于蕴含系统的变换派生 ............................................................................ 062? 4.4 产品设计过程知识的递归 ........................................................................................ 064? 第 5 章 产品期望性能数据感知解析辨识技术 ....................................................................... 066? 5.1 引言 ............................................................................................................................ 066? 5.2 产品期望性能闭环感知模型构建 ............................................................................ 067? 5.3 不确定条件下的期望性能递推解析度量 ................................................................ 070? 5.3.1 不确定性能语义分析与量化表达 ................................................................ 070? 5.3.2 期望性能正向重要度解析与度量 ................................................................ 072? 5.4 状态感知反馈的期望性能综合辨识计算 ................................................................ 074? 5.4.1 期望性能服役状态感知反馈分析 ................................................................ 074? 5.4.2 基于性能损失的反向重要度确定 ................................................................ 075? 5.4.3 考虑互补关系的期望性能融合辨识 ............................................................ 077? 第 6 章 产品结构性能约束传递模糊适配技术 ....................................................................... 079? 6.1 引言 ............................................................................................................................ 079? 6.2 结构性能的约束空间分析 ........................................................................................ 080? 6.2.1 性能约束的分类与表征 ................................................................................ 080? 6.2.2 基于粗糙集的约束空间约简 ........................................................................ 081? 6.3 约束传递下关联相似度确定及设计空间缩减 ........................................................ 084? 6.3.1 功能—结构模糊相似度分析及度量 ............................................................ 084? 6.3.2 性能约束传递下设计空间过滤缩减 ............................................................ 086? 6.4 基于离散差分进化算法的性能适配模型求解 ........................................................ 087? 6.4.1 结构性能适配的数学模型构建 .................................................................... 088? 6.4.2 基于约束水平关系的离散差分进化算法 .................................................... 089 ? 6.4.3 约束满足偏差最小的方案排序筛选 ............................................................ 092? 第 7 章 产品预测性能鲁棒学习可信评估技术 ....................................................................... 094? 7.1 引言 ............................................................................................................................ 094? 7.2 产品多元设计变量降维 ............................................................................................ 096? 7.2.1 互信息估计的多元设计变量筛选 ................................................................ 096? 7.2.2 局部近邻分析的异常误差点判别 ................................................................ 097? 7.3 基于鲁棒学习的产品预测性能回归拟合 ................................................................ 099? 7.3.1 试验样本随机采样构建 ................................................................................ 099? 7.3.2 基于最小二乘支持向量回归机的预测性能回归拟合 ................................ 100? 7.3.3 回归模型鲁棒学习修正 ................................................................................ 103 ? 7.4 基于区间估计的预测性能可信评估分析 ................................................................ 104? 7.4.1 可信性能区间估计的数学描述 .................................................................... 105? 7.4.2 基于 Bootstrap 的预测性能可信度计算 ....................................................... 105? 7.4.3 预测性能全局灵敏度分析 ............................................................................ 106? 第 8 章 产品概念方案协同推理决策技术 ............................................................................. 108? 8.1 引言 ............................................................................................................................ 108? 8.2 产品概念方案模糊积分评价 .................................................................................... 111? 8.2.1 透平膨胀机质量控制方案评价的基本问题描述 ........................................ 111? 8.2.2 基于模糊 Choquet 积分的透平膨胀机方案质量耦合评价模型 ................. 112? 8.3 产品概念方案集合的优劣排序 ................................................................................ 115? 8.4 产品概念方案证据推理团队协同评价 .................................................................... 116? 8.4.1 证据理论的基本概念 .................................................................................... 117? 8.4.2 透平膨胀机质量控制方案的团队一致性决策模型 .................................... 118? 第 9 章 产品结构多参数关联性能反演技术 ......................................................................... 120? 9.1 引言 ............................................................................................................................ 120? 9.2 产品结构多参数关联性能反演问题描述 ................................................................ 121? 9.2.1 多维几何空间行为性能反演坐标系 ............................................................ 121? 9.2.2 多参数关联行为性能反演目标分析 ............................................................ 125? 9.3 多参数关联行为性能同伦反演算法 ........................................................................ 127? 9.3.1 多参数混合反演系统的建立 ........................................................................ 127? 9.3.2 几何同伦行为性能反演实现 ........................................................................ 127? 9.4 同伦两段分步的行为性能参数修正 ........................................................................ 130? 第 10 章 产品结构多目标拓扑优化技术 ............................................................................... 133? 10.1 引言 .......................................................................................................................... 133? 10.2 产品结构多目标优化算法及其改进 ...................................................................... 134? 10.2.1 基本 TLBO 算法及其流程 .......................................................................... 134? 10.2.2 TLBO 算法自信度权重的改进设计 ........................................................... 135? 10.2.3 TLBO 算法动态调整教学因子的设计 ....................................................... 136? 10.2.4 算法数值算例及对比 .................................................................................. 136? 10.3 产品结构拓扑优化数学模型 .................................................................................. 139? 10.3.1 拓扑优化问题变量描述 .............................................................................. 139? 10.3.2 拓扑优化数学模型与约束处理 .................................................................. 139? 10.4 不确定性拓扑优化模型建立与求解 ...................................................................... 141? 10.4.1 可靠性拓扑优化模型构建 .......................................................................... 141? 10.4.2 可靠性拓扑优化模型求解流程 .................................................................. 143? 10.4.3 稳健性拓扑优化模型构建 .......................................................................... 145? 10.4.4 稳健性拓扑优化模型求解流程 .................................................................. 145? 第 11 章 产品多领域异构设计数据集成技术 ....................................................................... 148? 11.1 引言 .......................................................................................................................... 148? 11.2 产品设计使能性能知识集成需求 .......................................................................... 150? 11.2.1 使能性能知识多领域数据表现形式 .......................................................... 150? 11.2.2 使能性能知识多领域数据集成约束 .......................................................... 151? 11.3 使能性能知识多领域数据接口 .............................................................................. 152? 11.3.1 使能性能知识多领域数据组件接口语义描述 .......................................... 152? 11.3.2 使能性能知识多领域数据组件接口系统模型 .......................................... 155? 11.4 使能性能知识的多领域数据集成 .......................................................................... 156? 11.4.1 使能性能知识多领域数据组件接口实现 .................................................. 156? 数据驱动设计 XIV 11.4.2 使能性能知识多领域数据组件接口访问 .................................................. 158? 第 12 章 大数据驱动的产品设计应用案例 ........................................................................... 160? 12.1 电除尘器设计知识演化管理系统 .......................................................................... 160? 12.1.1 引言 .............................................................................................................. 160? 12.1.2 系统的应用背景与实施策略 ...................................................................... 160? 12.1.3 系统的体系结构与功能模块 ...................................................................... 162? 12.2 数据驱动的大型注塑装备设计系统 ...................................................................... 180? 12.2.1 引言 .............................................................................................................. 180? 12.2.2 大型注塑装备结构性能建模与结构设计实现 .......................................... 181? 12.2.3 大型注塑装备行为性能反演与目标性能优化 .......................................... 188? 12.2.4 大型注塑装备设计系统与使能性能数据集成 .......................................... 202? 12.3 复杂锻压装备性能增强设计及工程应用 .............................................................. 213? 12.3.1 引言 .............................................................................................................. 213? 12.3.2 系统的应用背景与体系架构 ...................................................................... 213? 12.3.3 系统集成平台主要功能模块设计与实现 .................................................. 215? 12.3.4 在 150MN 双动充液拉深液压机装备设计中的应用验证 ........................ 226? 12.4 大型空分设备质量控制系统集成与实现 .............................................................. 232? 12.4.1 引言 .............................................................................................................. 232? 12.4.2 系统的应用背景与实施策略 ...................................................................... 232? 12.4.3 HY-ASEQCS 系统的体系与功能模块 ....................................................... 235?