大數(shù)據(jù)時代機械設(shè)計的發(fā)展趨勢探究

王城

摘 要：在大數(shù)據(jù)時代，智能化設(shè)計、模塊化設(shè)計及一些新技術(shù)支持下的設(shè)計思維及理念應(yīng)用到機械設(shè)計中，促進了機械設(shè)計的發(fā)展。本文以大數(shù)據(jù)時代為背景，件數(shù)了大數(shù)據(jù)時代的特點，探討了大數(shù)據(jù)時代機械設(shè)計的發(fā)展趨勢。旨在為機械設(shè)計及制造提供一些參考，提高機械制造企業(yè)的市場競爭優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù);機械設(shè)計;人工智能;模塊化設(shè)計;組合設(shè)計

引言：近幾年來，國際上對大數(shù)據(jù)的關(guān)注度一再的提高，我國更是將大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)作為商業(yè)模式的新業(yè)態(tài)重點推廣，各級政府也因此推出各種支持性政策。大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展與成熟為其在社會各行各業(yè)的應(yīng)用奠定了良好的發(fā)展基礎(chǔ)。我國作為世界制造業(yè)大國，國家機械制造的發(fā)展對提升國際影響力有著重要的促進意義。在機械設(shè)計與制造中，大數(shù)據(jù)的應(yīng)用為“中國制造業(yè)2025”年計劃的實施和目標完成做出了重要的貢獻。基于大數(shù)據(jù)背景下智能技術(shù)、模塊化設(shè)計、數(shù)字孿生技術(shù)等在機械設(shè)計中的應(yīng)用，為機械制造業(yè)智能化、高效化、精準化、個性化設(shè)計與制造提供了技術(shù)基礎(chǔ)。近些年來，這些技術(shù)的進步進一步提帶動了國家制造業(yè)的發(fā)展，同時為未來制造業(yè)的發(fā)展提供了方向。研究大數(shù)據(jù)時代機械設(shè)計的發(fā)展趨勢對于指導(dǎo)制造企業(yè)提升國際市場競爭優(yōu)勢有著重要的意義。

一、大數(shù)據(jù)時代的特點

大數(shù)據(jù)時代的主要特點就是信息資料的海量化、巨量化。該特點表現(xiàn)在數(shù)據(jù)的產(chǎn)生、數(shù)據(jù)的應(yīng)用等多個方面，且數(shù)據(jù)資料來源于世界各地，具有跨時空的意義。因此，任何微小的數(shù)據(jù)都隱藏著巨大的價值。在大數(shù)據(jù)應(yīng)用方面，大數(shù)據(jù)的特點主要體現(xiàn)在大量、多樣、高速、價值四個方面。

二、大數(shù)據(jù)時代機械設(shè)計的發(fā)展趨勢

（一）基于人工智能的機械設(shè)計

人工智能是一種類人系統(tǒng)，通過實現(xiàn)定義程序的場景賦予程序完成任務(wù)的功能。在人工智能完成機械設(shè)計前，首選需要給任務(wù)設(shè)定可能面臨的場景和需要做什么，再通過大數(shù)據(jù)分析模擬人類在不確定情況下制定計劃和和完成決策的能力。簡言之，就是程序設(shè)計師通過機械設(shè)計的詳細需求將可能用于機械設(shè)計的一切物理過程、操作要求、誤差分析等通過編程和模塊化重組的方式進行流程化，從而賦予及其人類智能的功能。它包括機械學(xué)習(xí)、機器評估、機械優(yōu)化配置、機械產(chǎn)品開發(fā)與管理等。

1.專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)是指基于計算機程序的人工智能的應(yīng)用的一個分支。它研究的目標就是模擬人類專家的推理思維過程。專家系統(tǒng)的原理是將各領(lǐng)域?qū)＜业闹R與經(jīng)驗通過知識表達的模式存儲在計算機內(nèi)，在通過系統(tǒng)對輸入事實的推理完成計劃與決策。專家系統(tǒng)的應(yīng)用并不是為了完全替代人類專家，而是更好的利用人類領(lǐng)域?qū)＜业闹R與經(jīng)驗完成更高的價值的轉(zhuǎn)化，擴大其知識與經(jīng)驗的應(yīng)用范圍。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計上，專家系統(tǒng)主要包括用戶界面、推理機、知識庫。其中用戶界面主要用于用戶輸入信息、回答系統(tǒng)提出的問題、輸出推理結(jié)果等，是用戶與系統(tǒng)交流的平臺。推理機是針對已知信息、問題及條件等與知識庫中的知識、經(jīng)驗、規(guī)則等匹配，從得出解決問題的方法與結(jié)果。推理機的推理方法包括正推與反推。正推從已知條件中獲得結(jié)論，發(fā)推從假設(shè)中證明結(jié)論成立。這種思維方式與專家解決問題有著異曲同工之處。正是推理機的功能，才賦予了知識庫知識與經(jīng)驗更高的應(yīng)用價值和更廣的應(yīng)用范圍。

2.生成機械系統(tǒng)

生成設(shè)計是一種模仿自然進化的設(shè)計方法。設(shè)計師將設(shè)計目標、制造原材料、制造方法、成本約束等相關(guān)的物理參數(shù)輸入生成設(shè)計軟件，從而完成處理方案選優(yōu)的過程，生成最終的設(shè)計方案及備選方案。其主要眼里是機器學(xué)習(xí)系統(tǒng)通過不斷的測試學(xué)習(xí)哪些方案可行、哪些方案不可信，最終選擇出可行的處理方案的一個過程。它的優(yōu)勢在于設(shè)計方案廣泛多樣。如果說人類專家在同一時間內(nèi)一個人智能產(chǎn)生一種思維和一種解決問題的方案，那么生成系統(tǒng)在同一時間可自動搜索出成千上萬種思維方式和解決方案，并根據(jù)生成的參數(shù)證明具體哪個設(shè)計方案最優(yōu)化。生成設(shè)計方案的廣泛性和多樣性成就了更多的設(shè)計可能，這是一個對設(shè)計方案不斷選優(yōu)和不斷優(yōu)化的過程。特別是在一些創(chuàng)建一些內(nèi)部網(wǎng)格和復(fù)雜形狀時，它的3D打印制造方式就可以輕松的完成對設(shè)計方案可行性的驗證，而這些是人類專家及思維無法在短時間內(nèi)做到的。在材料和制造方法的優(yōu)化上，生成設(shè)計通過設(shè)定目標與參數(shù)，再通過這些物理菜蔬來約束更高性能的設(shè)計選項。這有利于防止高性能設(shè)計選項與材料、制造方法設(shè)計方面發(fā)生的沖突，從而導(dǎo)致設(shè)計方案不可性問題的出現(xiàn)。綜合而言，生成設(shè)計的方案優(yōu)選能夠幫助設(shè)計師更好的進行機械設(shè)計方案的創(chuàng)新。

（二）基于模塊化的機械設(shè)計

模塊化設(shè)計是通過標準結(jié)構(gòu)的獨立部件創(chuàng)建新系統(tǒng)的機械設(shè)計法。傳統(tǒng)的設(shè)計計算和修復(fù)工作，而模塊化設(shè)計利用大數(shù)據(jù)對固定的模塊進行處理分析，從而得出更加精準的參數(shù)來源，以提供給通用部件。設(shè)計者只需要將這些通過模塊根據(jù)機械設(shè)計的功能需求、升級需求等進行重組設(shè)計，就可以實現(xiàn)對機械設(shè)計的創(chuàng)新。它也是基于人工智能機器學(xué)習(xí)的功能實現(xiàn)的對模塊化的重組與設(shè)計。

（三）基于數(shù)字孿生技術(shù)的機械設(shè)計

傳統(tǒng)的機械設(shè)計或者能夠，一個獨立的零部件需要多個機床組合完成，機械設(shè)計中也因此需要充分考慮裝配設(shè)計的合理性。基于數(shù)字孿生技術(shù)的機械設(shè)計通過增材旨在工藝來完成制造。這種通過融化連續(xù)材料來完成產(chǎn)品制造的方式節(jié)省材料，又能根據(jù)零部件設(shè)計的需求來旨在出多種復(fù)雜形狀，極大的節(jié)約了機械制造的成本。例如3D打印技術(shù)，借助3D打印火箭燃料噴射器完成部件的打印。

三、結(jié)語

大數(shù)據(jù)時代，信息資源的共享利用為機械設(shè)計組合設(shè)計創(chuàng)新優(yōu)化提供了良好的發(fā)展基礎(chǔ)。機械制造也的最新研究領(lǐng)域智能化、個性化、信息化設(shè)計等都必須與大數(shù)據(jù)為前提，通過組合大數(shù)據(jù)來實現(xiàn)高效的設(shè)計優(yōu)化。本文中提高的智能化設(shè)計、模塊化設(shè)計、數(shù)字化孿生技術(shù)及增材制造技術(shù)的應(yīng)用均是為了適應(yīng)現(xiàn)代制造業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的需求。信息技術(shù)的升級與發(fā)展加快了機械制造的設(shè)計與發(fā)展，而大數(shù)據(jù)必將為機械旨在設(shè)計及產(chǎn)業(yè)升級提供信息技術(shù)，最終實現(xiàn)機械設(shè)計系統(tǒng)化、流程化、數(shù)字化、智能化、模塊化的集成設(shè)計，極大的縮短機械制造設(shè)計與生產(chǎn)的周期。

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