1.2 產品自適應設計的發展及研究意義

1.2.1 產品自適應設計的發展

現代設計方法體系中，面向產品全生命周期設計、數據驅動設計、可適應設計等方法為產品自適應設計提供了豐富的思想和工具。

20世紀50年代末，由于設計開發經驗的長期積累，DFX的原型形成了。六七十年代以后，DFX研究得到重視。其中，X可以代表產品全生命周期的某一環節，如裝配、加工、使用、檢驗、維修、回收等，也可以代表產品競爭力或決定產品競爭力的因素，如質量、成本、時間等。這里的設計不僅僅指產品的設計，也包括產品開發過程和系統的設計。典型的DFX設計方法有DFA（Design for Assembly，面向裝配的設計）、DFM（Design for Manufacture，面向制造的設計）、DFI（Design for Inspection，面向檢驗的設計）、DFS（Design for Service/Maintain/Repair，面向服務/維修的設計）、DFR（Design for Recycling，面向回收的設計）、DFQ（Design for Quality，面向質量的設計）、DFR（Design for Reliability，面向可靠性的設計）、DFE（Design for Environment，面向環境的設計）等。然而，傳統的DFX設計方法依然遵循順序式的開發過程，各階段的不同設計部門之間缺乏經常性的交流。設計的相關數據、信息基本上是單一流向的，容易導致設計的后期甚至制造階段的設計變更，因此產品的開發周期長、成本高，且質量無法保證。

20世紀80年代正式提出產品全生命周期設計的概念。全生命周期設計的概念從并行工程思想發展而來[14]，為實現產品的并行開發，解決DFX中設計信息交互困難的問題，做到產品開發全過程的數據共享，需要建立能夠貫穿產品開發全過程的統一的、具有可擴充性的、能表達不完整信息的全生命周期產品模型，從而保證產品模型在產品開發中的一致性。該產品模型能隨著產品開發進程自動擴張，并從設計模型自動映射為不同需求的模型，如制造模型、裝配仿真模型、可維護性模型等，同時應能全面表達和評價與產品全生命周期相關的性能指標。產品全生命周期設計是多學科知識與技術在人類生產、社會發展、文化與精神追求等多層次上的融合，涉及的問題十分廣博深遠。面向產品全生命周期設計的主要研究內容如圖1-4所示。

產品自適應設計繼承了產品全生命周期設計中考慮產品全生命周期各個階段的屬性及特點，進而確定解決方法的設計理念。同產品全生命周期設計一樣，產品自適應設計的主要目的之一便是在設計階段盡可能預見產品全生命周期里各個環節的問題，并在設計階段加以解決或設計好解決的途徑。例如，在設計階段對產品全生命周期的所有費用（包括維修費用、停機損失和報廢處理費用）、資源消耗和環境代價進行整體分析規劃；對從選材、制造、維修、零部件更換、安全保障到產品報廢、回收、再利用或降解處理的全過程對自然資源和環境的影響進行分析預測和優化，以積極有效地利用和保護資源、環境，創造好的人機環境，保持人類社會生產的持續穩定發展。基于這種思想，形成了產品自適應設計中的全生命周期“自主感知—智能決策—高效執行”的多級閉環反饋的特征。

產品全生命周期中會產生大量數據，收集和利用好其中有價值的產品數據，對提高產品設計效率、質量及產品競爭力具有重要的現實意義。產品自適應設計針對多源異構的全生命周期制造大數據，采用智能工具進行高效融合，擴展了設計數據感知（采集）范圍，能更好地應對用戶需求的快速變化。

在新一代信息技術的支持下，通過產品全生命周期中動態的、融合的數據驅動產品設計已成為可能，數據驅動產品設計也取得了長足發展，現在已經是一種運用比較廣泛且有效的產品設計方法。美國Journal of Mechanical Design[7]2017年出版的《數據驅動設計》專輯中，收集了包括數據驅動設計的基礎和平臺構建、數據驅動設計的理論和原理、數據驅動設計的工程決策、數據驅動設計的算法研究進展、在線評論大數據驅動設計、大數據驅動的設計與社會計算、眾包和人機交互數據驅動設計的不確定性、數據驅動設計的人類行為分析等在內的不同主題的20篇文章，對數據驅動設計進行了較為全面的論述。綜合而言，有關數據驅動設計的研究從不同的數據來源（如在線評論、專利運行數據等）、設計階段（方案設計、參數設計、方案評估等）及研究目標（方案優化、設計流程和系統方法構建）等視角展開。

數據驅動產品設計是一個將設計需求轉化為數據信息，并協助研發工程師完成設計目標的過程，一般分為數據采集及轉化、數據存儲及處理、數據分析及解釋三個階段。根據不同階段數據的特點，有針對性地開展相應的提取、處理及分析工作，并融入產品設計過程中。數據驅動產品設計方法框架如圖1-5所示。

1）數據采集及轉化階段。該階段根據產品、物流、采購、售后等初步設計需求，查找并獲取企業內外已有的全部數據信息。采集方面，預先獲取采集權限，并確定鏈接、地址、域名及路徑，結合多線程下載方式及選擇觸發模式采集數據。轉化方面，針對不同格式類型的數據進行轉化，例如，將紙質數據轉化為電子數據，主要手段包括人工輸入和圖像掃描；對于圖像、視頻、語音等非結構化數據和半結構化數據，主要完成特征標注、文本提取及文本轉換工作，最終將這些數據連同結構化數據進行統一歸納分類。

2）數據存儲及處理階段。該階段主要根據前一階段獲取的原始數據，同時結合專家經驗及行業資料進行查缺和補充；進行專業特征詞檢索及篩選，并構建不同語種的領域專業詞典數據庫；根據數據量的大小及提取速度分別選擇分布式文件系統HDFS、非關系型數據庫NoSQL及分布式數據庫DDBS進行存儲；對分布式多源異構數據進行集成，以便上層設計工程師可以忽視數據的差異；對數據進行格式轉化，如將txt、doc、ppt等格式的文件轉化為excel或mysql格式文件，以便機器識別及統一處理；進行一致性檢測，并清洗無效數據，同時對重復項進行比較及合并；針對高維空間存在的數據稀疏性高、變量關聯復雜、數據量大的問題，對數據進行降維，獲取關鍵信息，并轉化為功能、原理、結構及約束等設計知識信息。

3）數據分析及解釋階段。該階段主要針對數據向量空間進行變量頻次計算及排名；根據變量之間的距離計算相似性，并對變量進行聚類及社團分析；統計變量之間的共現概率，計算變量共現置信度，并確定變量之間的相關性，以便推薦不同變量；結合時間維度，對相關變量進行趨勢分析；利用圖形、圖像處理及計算機視覺，通過立體、表面及動畫顯示對分析過程進行可視化操作；通過人機操作界面，實現數據的實時處理；設計相關系統對數據進行管理；導出數據分析結果，以支持市場需求分析、產品方案生成及綜合性能評價等創新設計任務的開展。

數據驅動設計作用于產品設計的各個主要階段。在需求分析階段，依據收集和處理后的用戶需求與市場數據對關鍵用戶偏好進行分析，采用恰當的權重算法正確地把數據轉化為產品的屬性和特征，如何有效收集和捕獲用戶偏好數據是需求分析的重點和難點。在產品概念設計階段，以全生命周期數據為基礎，以設計要求為導向，通過建立產品功能與行為的相關性，找出準確的工作原理，最終形成功能結構合理的設計方案。在產品詳細設計階段，基于產品相關的信息數據，進行設計過程建模及產品建模，構建的過程模型和產品模型能夠通過一定的數據建模技術和方法，表達設計變量及過程的變化和轉化，并且能夠進行模擬仿真驗證。此外，數據驅動產品設計需要有相關技術工具支持，如計算機輔助設計軟件CAD、CAE、PDM、PLM等，還要有專門開發的集成設計知識庫、數據庫、案例庫和產品模型庫等工具。

通過產品全生命周期設計與數據驅動設計等現代設計理論的融合，產品全生命周期的多源異構數據驅動的設計體系已經有了雛形，這也為產品自適應設計中全生命周期數據驅動特點提供了堅實的理論基礎。

此外，產品可適應設計也為產品自適應設計理論的產生提供了重要理論依據。“產品可適應設計”2004年由顧佩華等首次提出[3]，是一種全新的設計理念，目的是延長產品（物理產品）或產品設計（數字產品）的使用周期，使生產型企業能夠在質量允許和成本限制下，通過調整已有產品或設計快速開發出新的面向客戶需求的產品。產品可適應設計的架構如圖1-6所示。

可適應設計的研究主要集中在產品可適應設計理論研究和產品設計可適應性評價研究[17]兩個方面。在產品可適應設計理論研究方面，加拿大卡爾加里大學研究者[3]基于顧佩華院士的研究，進一步豐富了可適應設計的設計理論，提出根據變動信息的可預見和非預見性，將可適應性設計劃分為狹義可適應性設計和廣義可適應性設計。狹義可適應性設計包含多功能設計、多種類設計、升級設計和定制設計；對于廣義可適應性設計，引入了設計子整體的概念，通過建立功能和結構之間一一對應的關系，使開發的產品能夠更好地面向未來未知的變更需求。也有相關研究將可適應設計理念與模塊設計融合，提出了可適應模塊的概念[18]。

產品設計可適應性評價研究以產品可適應性評價為核心，產品可適應性[19]是指產品能夠被修改，使其功能發生改變，而滿足新的用戶需求的能力。當用戶需求發生變化，而現有的產品形態不能很好地滿足用戶需求的時候，用戶就可以通過可適應過程增加產品功能或提升產品性能。按照設計人員是否在設計之初就考慮到產品要適應的功能需求集合，產品可適應性又可分為產品的特定可適應性和產品的一般可適應性。一方面，當產品要適應的功能需求集合及其可能性明確的時候，設計人員就能夠設計出順應這種需求的產品的特定可適應性；另一方面，為了滿足一些不可預測的需求和改變，產品可以采用具有柔性架構和擴展性良好的接口，從而使產品具有一般可適應性。根據可適應性評價角度的不同，分為基于價值工程[20]、基于性能穩健性[21]等多種評價方法。

可適應設計方法經過多年的研究，取得了較為豐富的研究成果，為以滿足需求為基礎的產品快速設計提供了一種良好的設計方法和理論支撐。可適應設計架構中產品可適應性分析與設計可適應性分析的相關研究，為產品自適應設計中產品自適應、設計求解方法自適應、數據與知識自適應、設計過程自適應四個自適應設計要素的定義提供了重要的理論依據。