王城

摘 要：在大數(shù)據(jù)時(shí)代，智能化設(shè)計(jì)、模塊化設(shè)計(jì)及一些新技術(shù)支持下的設(shè)計(jì)思維及理念應(yīng)用到機(jī)械設(shè)計(jì)中，促進(jìn)了機(jī)械設(shè)計(jì)的發(fā)展。本文以大數(shù)據(jù)時(shí)代為背景，件數(shù)了大數(shù)據(jù)時(shí)代的特點(diǎn)，探討了大數(shù)據(jù)時(shí)代機(jī)械設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。旨在為機(jī)械設(shè)計(jì)及制造提供一些參考，提高機(jī)械制造企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

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

引言：近幾年來(lái)，國(guó)際上對(duì)大數(shù)據(jù)的關(guān)注度一再的提高，我國(guó)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(diǎn)推廣，各級(jí)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(huì)各行各業(yè)的應(yīng)用奠定了良好的發(fā)展基礎(chǔ)。我國(guó)作為世界制造業(yè)大國(guó)，國(guó)家機(jī)械制造的發(fā)展對(duì)提升國(guó)際影響力有著重要的促進(jìn)意義。在機(jī)械設(shè)計(jì)與制造中，大數(shù)據(jù)的應(yīng)用為“中國(guó)制造業(yè)2025”年計(jì)劃的實(shí)施和目標(biāo)完成做出了重要的貢獻(xiàn)。基于大數(shù)據(jù)背景下智能技術(shù)、模塊化設(shè)計(jì)、數(shù)字孿生技術(shù)等在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，為機(jī)械制造業(yè)智能化、高效化、精準(zhǔn)化、個(gè)性化設(shè)計(jì)與制造提供了技術(shù)基礎(chǔ)。近些年來(lái)，這些技術(shù)的進(jìn)步進(jìn)一步提帶動(dòng)了國(guó)家制造業(yè)的發(fā)展，同時(shí)為未來(lái)制造業(yè)的發(fā)展提供了方向。研究大數(shù)據(jù)時(shí)代機(jī)械設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)對(duì)于指導(dǎo)制造企業(yè)提升國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)有著重要的意義。

一、大數(shù)據(jù)時(shí)代的特點(diǎn)

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

二、大數(shù)據(jù)時(shí)代機(jī)械設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)

（一）基于人工智能的機(jī)械設(shè)計(jì)

人工智能是一種類人系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)現(xiàn)定義程序的場(chǎng)景賦予程序完成任務(wù)的功能。在人工智能完成機(jī)械設(shè)計(jì)前，首選需要給任務(wù)設(shè)定可能面臨的場(chǎng)景和需要做什么，再通過(guò)大數(shù)據(jù)分析模擬人類在不確定情況下制定計(jì)劃和和完成決策的能力。簡(jiǎn)言之，就是程序設(shè)計(jì)師通過(guò)機(jī)械設(shè)計(jì)的詳細(xì)需求將可能用于機(jī)械設(shè)計(jì)的一切物理過(guò)程、操作要求、誤差分析等通過(guò)編程和模塊化重組的方式進(jìn)行流程化，從而賦予及其人類智能的功能。它包括機(jī)械學(xué)習(xí)、機(jī)器評(píng)估、機(jī)械優(yōu)化配置、機(jī)械產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與管理等。

1.專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)是指基于計(jì)算機(jī)程序的人工智能的應(yīng)用的一個(gè)分支。它研究的目標(biāo)就是模擬人類專家的推理思維過(guò)程。專家系統(tǒng)的原理是將各領(lǐng)域?qū)＜业闹R(shí)與經(jīng)驗(yàn)通過(guò)知識(shí)表達(dá)的模式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)，在通過(guò)系統(tǒng)對(duì)輸入事實(shí)的推理完成計(jì)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(shí)與經(jīng)驗(yàn)完成更高的價(jià)值的轉(zhuǎn)化，擴(kuò)大其知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)的應(yīng)用范圍。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，專家系統(tǒng)主要包括用戶界面、推理機(jī)、知識(shí)庫(kù)。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(wèn)題、輸出推理結(jié)果等，是用戶與系統(tǒng)交流的平臺(tái)。推理機(jī)是針對(duì)已知信息、問(wèn)題及條件等與知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)、規(guī)則等匹配，從得出解決問(wèn)題的方法與結(jié)果。推理機(jī)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(wèn)題有著異曲同工之處。正是推理機(jī)的功能，才賦予了知識(shí)庫(kù)知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)更高的應(yīng)用價(jià)值和更廣的應(yīng)用范圍。

2.生成機(jī)械系統(tǒng)

生成設(shè)計(jì)是一種模仿自然進(jìn)化的設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)師將設(shè)計(jì)目標(biāo)、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(jì)軟件，從而完成處理方案選優(yōu)的過(guò)程，生成最終的設(shè)計(jì)方案及備選方案。其主要眼里是機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)通過(guò)不斷的測(cè)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(gè)過(guò)程。它的優(yōu)勢(shì)在于設(shè)計(jì)方案廣泛多樣。如果說(shuō)人類專家在同一時(shí)間內(nèi)一個(gè)人智能產(chǎn)生一種思維和一種解決問(wèn)題的方案，那么生成系統(tǒng)在同一時(shí)間可自動(dòng)搜索出成千上萬(wàn)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(gè)設(shè)計(jì)方案最優(yōu)化。生成設(shè)計(jì)方案的廣泛性和多樣性成就了更多的設(shè)計(jì)可能，這是一個(gè)對(duì)設(shè)計(jì)方案不斷選優(yōu)和不斷優(yōu)化的過(guò)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(shí)，它的3D打印制造方式就可以輕松的完成對(duì)設(shè)計(jì)方案可行性的驗(yàn)證，而這些是人類專家及思維無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)做到的。在材料和制造方法的優(yōu)化上，生成設(shè)計(jì)通過(guò)設(shè)定目標(biāo)與參數(shù)，再通過(guò)這些物理菜蔬來(lái)約束更高性能的設(shè)計(jì)選項(xiàng)。這有利于防止高性能設(shè)計(jì)選項(xiàng)與材料、制造方法設(shè)計(jì)方面發(fā)生的沖突，從而導(dǎo)致設(shè)計(jì)方案不可性問(wèn)題的出現(xiàn)。綜合而言，生成設(shè)計(jì)的方案優(yōu)選能夠幫助設(shè)計(jì)師更好的進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)方案的創(chuàng)新。

（二）基于模塊化的機(jī)械設(shè)計(jì)

模塊化設(shè)計(jì)是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的獨(dú)立部件創(chuàng)建新系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)法。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算和修復(fù)工作，而模塊化設(shè)計(jì)利用大數(shù)據(jù)對(duì)固定的模塊進(jìn)行處理分析，從而得出更加精準(zhǔn)的參數(shù)來(lái)源，以提供給通用部件。設(shè)計(jì)者只需要將這些通過(guò)模塊根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)的功能需求、升級(jí)需求等進(jìn)行重組設(shè)計(jì)，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)的創(chuàng)新。它也是基于人工智能機(jī)器學(xué)習(xí)的功能實(shí)現(xiàn)的對(duì)模塊化的重組與設(shè)計(jì)。

（三）基于數(shù)字孿生技術(shù)的機(jī)械設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)或者能夠，一個(gè)獨(dú)立的零部件需要多個(gè)機(jī)床組合完成，機(jī)械設(shè)計(jì)中也因此需要充分考慮裝配設(shè)計(jì)的合理性?；跀?shù)字孿生技術(shù)的機(jī)械設(shè)計(jì)通過(guò)增材旨在工藝來(lái)完成制造。這種通過(guò)融化連續(xù)材料來(lái)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(jì)的需求來(lái)旨在出多種復(fù)雜形狀，極大的節(jié)約了機(jī)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(yǔ)

大數(shù)據(jù)時(shí)代，信息資源的共享利用為機(jī)械設(shè)計(jì)組合設(shè)計(jì)創(chuàng)新優(yōu)化提供了良好的發(fā)展基礎(chǔ)。機(jī)械制造也的最新研究領(lǐng)域智能化、個(gè)性化、信息化設(shè)計(jì)等都必須與大數(shù)據(jù)為前提，通過(guò)組合大數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)高效的設(shè)計(jì)優(yōu)化。本文中提高的智能化設(shè)計(jì)、模塊化設(shè)計(jì)、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(jí)與發(fā)展加快了機(jī)械制造的設(shè)計(jì)與發(fā)展，而大數(shù)據(jù)必將為機(jī)械旨在設(shè)計(jì)及產(chǎn)業(yè)升級(jí)提供信息技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)系統(tǒng)化、流程化、數(shù)字化、智能化、模塊化的集成設(shè)計(jì)，極大的縮短機(jī)械制造設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的周期。

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