智能制造理念在客車造型設計中的應用研究

陳秋媛

摘 要：在經濟全球化的趨勢下，智能制造引起了學術界和工業界的廣泛關注。作為智能制造中的關鍵技術之一，大數據分析通過挖掘各類大數據中的知識價值和潛在能力，可以明顯提高制造業的市場競爭力，同時也可以幫助設計師們在各種復雜的受眾群體背景下做出明智的設計方案。文章為大數據分析技術在客車造型設計中指導設計方案提供了理論分析依據，充分論證了智能制造理念在產品設計中的實用性。提出了基于大數據分析技術的客車造型設計分析概念框架，為該領域面臨的嚴峻挑戰和未來研究方向提供了有價值的見解和思考。

關鍵詞：智能制造 大數據分析 客車 造型設計 產品設計

1 引言

隨著互聯網、新能源、大數據等技術的迅猛發展，我國的生產工業正在逐步發生變革，人類的社會生活水平和審美標準也在逐步提高。這對眾多行業都提出了新的要求和挑戰，對于交通工具的選擇來說，出行的交通網不僅是要解決遠距離的行程，更要努力解決好人們的短程出行甚至是最后一公里的交通問題，而客車便是解決這一問題最有效的方式。在當前信息化的時代背景下，人們越來越注重出行時所乘坐交通工具的舒適性和美觀性，這也使得現階段的客車產業發展正在由技術競爭逐步轉向造型美觀性上的競爭。

進入二十一世紀后，人類的生產工業發生了巨大的變革。隨著人工智能技術的發展，智能制造將計算機和信息科學技術融入制造業和各種產業當中，實現了柔性化、智能化和定制化的制造過程，以應對不斷變化的市場需求[1，2]。隨著物聯網、邊緣計算等先進信息技術在制造業的應用，積累了大量有價值的數據，其中收集到的產品數據包含大量的設計知識，這為提高生產效率、產品美觀性和產品競爭力帶來了新的機遇?；谶@一趨勢，本文從智能制造的理念出發，探討這一理念對客車造型設計方法的影響及展望。

2 智能制造理念在客車造型設計中的潛力

新一輪工業革命的到來，促進了信息技術與制造系統的融合，也豐富了各企業擁有的數據，使其呈現出數量大、種類多、速度快的特點。作為智能制造中的關鍵技術之一，大數據分析通過挖掘工業大數據中隱藏的知識價值和潛在能力，不僅提高了制造業的市場競爭力，還有助于科學分析和決策，優化生產流程，降低成本，提高運營效率[3]。因此，工業大數據被視為生產手段，以驅動智能制造[4]，大數據分析的技術也為當今制造模式從傳統制造向智能制造轉型提供了絕佳機遇，如圖1所示，為當前大數據分析所具有的五大基本屬性：高容量、高速度、高多樣性、高準確性和高價值。

借助于大數據分析的獨特屬性，各行各業都在向智能化的方向逐漸靠攏，其中最具代表的便是傳統的制造行業。而設計又在制造過程中起著絕對重要的作用，它決定了產品的美觀性及大部分性能，隨著大數據技術的發展，產品設計也正從主觀概念設計轉向數據驅動設計，即智能產品設計，其目標便是以客戶和受眾群體的喜好為重點的人性化造型設計。如圖2所示，大數據驅動的產品設計主要分為以下幾步：

（1）借助于產品與外界（即用戶和使用環境）的交互過程中，獲取大量數據，實現產品為外界時刻連接的狀態；

（2）通過以上數據進行建模和分析，充分挖掘市場的需求，輔助產品設計的過程，并以此將虛擬數字世界和現實世界進行連接；

（3）通過銷售、客戶、制造數據生成設計方案，并基于歷史學習增強決策和設計能力；

（4）最后投入市場并進行后續的監測、分析、學習和數據回收的閉環優化。

在智能產品設計的概念下，大數據分析為設計師塑造了一個嶄新的數字化、參數化的視角，通過對各類外界獲得的數據可以得到影響造型美觀的主要因素，并建立起與之對應的映射模型，從而有效地優化產品設計參數。北京航空航天大學的陶飛等人[5]便以此分析了大數據環境下產品全生命周期管理中數據的隔離問題，提出了產品設計、制造和服務的數字化雙驅動模型。

另外，大數據分析最重要的是通過研究和了解客戶的需求、喜好、評價以及行為，提供了一種既簡單又準確的設計方法，不僅在一定程度上促進了造型設計的創新能力，還提高了開發定制產品的能力。美國德克薩斯大學的Edward Ramirez 等人[6]便在大數據分析的基礎上提出了一個產品設計框架，并將其用于獲取用戶對產品美學和外觀的需求，以有效地識別客戶所需要的設計概念，并將其設計策略進行分類以使用不同的客戶群體。新南威爾士大學的Ang Liu等人[7]便提出了一個設計框架來分析互聯網用戶的評價，并通過相關的大數據分析成功識別了一系列的客戶需求，最后實現對產品功能的定量分析，為產品設計師提供了關鍵的決策支持。

客車造型設計是一種面向于設計需求和客車本身限制的迭代和復雜的工程過程，它一般通過建立功能相關性來尋求正確的組合機制，并根據設計師經驗生成相應的設計方案。然而新產品開發的成功取決于在概念設計階段的設計概念生成，這就要求公司在不增加生產成本和產品開發周期的前提下完成產品的快速設計并生產。這一要求對傳統設計方法是非常具有挑戰性的，但如今智能制造的理念恰能解決這一問題，上述的大數據分析也可以在客車造型設計中發揮積極作用。一方面大多數消費群體的需求可以從大量的產品數據中確定，從而可以大幅度減少概念設計的模糊性；另一方面，產品數據還會包含豐富的設計知識，可以提高概念設計效率和設計方案的創新?？傊?，基于大數據分析的客車造型設計不僅可以極大的減少設計師的工作量，還可以提高客車造型設計的質量，有望替代傳統的設計方法。

3 智能制造理念在客車造型設計中的挑戰

大數據分析對產品設計及相關制造領域決策影響的研究是當今的熱點和新興領域，但目前大數據分析還處于智能制造時代的初級階段，將其直接應用于客車造型設計中仍存在諸多的挑戰，還需要進一步的研究和完善，才能更好的滿足行業和市場的需求?，F階段大數據分析在客車造型設計領域面臨的挑戰主要如下：

（1）數據質量的問題：簡單來說，大數據是一個儲存量巨大、非結構化且復雜的超級數據集，包含了從基因組分析、政治科學、傳感器、社交媒體或智能手機應用程序以及互聯網工具等眾多領域的數據。因此其中的數據龐雜，需要根據實際造型設計的需求在數據庫中進行提取和選擇，尋求高質量的數據集（例如汽車網站中用戶經常上傳的照片、喜歡和收藏的帖子等）。

（2）數據安全的問題：由于數據來源的復雜性，在通過數據挖掘為客戶提供定制化優質設計的同時，其數據信息本身的隱私性和安全性也面臨著嚴重的威脅。而且由于目前絕大部分的研究都集中在數據收集和數據分析上，很少有企業會將大量的投入和額外的工作放置在數據安全和隱私保護上，因此也使得數據安全的問題被進一步的放大。

（3）數據框架通用性的問題：目前，大多數數據框架和分析方法都是針對某些特定類型的需求進行建立。例如，針對客車造型設計的數據框架可以從大數據分析中提取相關的數據集進行分析并輸出客戶所需的潛在設計方案，但該框架很難直接應用于其他產品設計中，無疑造成了資源和時間的浪費。另外，這種輸出的設計方案一般只針對造型和美觀等相關方面提出，無法充分考慮生產和制造過程中的實際要求。

（4）數據轉換的問題：針對完整和絕對有效地數據時，大數據分析可以直接進行訪問并以此來制定相關的設計方案。但當面對不完整或無效的數據時，數據分析平臺不能直接利用這些數據進行處理和分析，需要數據訪問功能將其進行提取后再進行轉換才能得到最終分析所需的數據格式。因此如何對數據進行識別并快速的轉換也是其需要解決的一個重要挑戰。

4 智能制造理念在客車造型設計中的應用方法

為了進一步提高智能制造理念中大數據分析技術在客車造型設計中的應用，本文提出了一種基于工業大數據驅動技術的智能造型分析概念框架，如圖3所示，并介紹了該框架各部分的功能和核心設計思想。該模型涵蓋了數據采集、存儲、清洗、集成、分析、挖掘和可視化的過程，該方法開發了一種全新的智能設計模式，它注重于數據的交互性和標準化，可以通過大量的數據處理，促進設計者和數據提供者（即客戶及潛在客戶）之間溝通的速度。

基于大數據分析技術的客車造型設計分析概念框架的主要工作機制如下：

（1）客車造型大數據分析的工作機制：在各種汽車、客車等相關網站、小程序和應用軟件以及現實各種車類相關的復雜環境中捕獲相關的數據集；然后進行數據采集、存儲、清洗、集成、分析、挖掘和可視化的全過程；最后，數據分析中心將這些有用的數據進行收集和再存儲，以生成相關的知識規則庫，并在保證隱私的基礎上將這些數據規則和分析特征上傳到云端進行共享。值得注意的是，該系統要保證足夠高的透明度，以實現對數據信息的匯總、關聯、處理和分析，此外，分析的數據需要具有可以被整合和易理解的特征，這樣可以更好的追溯數據的來源及相關環境背景，以正確的方式向設計師呈現出易被客戶群體所接受的造型設計，從而幫助設計師更好的進行造型、圖案及配色的選擇。

（2）客車造型設計分析的工作機理：客車造型分析中的設計始于建立大型客車造型數據庫，這種數據庫由各種客車造型的輸入數據組成，包括已發行的客車造型、眾多概念設計圖紙、不同客車的銷售量及銷售區域以及其他車種的喜好程度等等。在大數據系統上擴展相關的數據庫和驗證標準，將進一步提高定制化設計的精準度，從而可以明顯提升設計人員的潛在競爭優勢?；诖髷祿闹悄茉O計師從虛擬世界到物理世界的反饋和協調過程，旨在強化設計過程的智能功能，使設計系統在不斷的實踐、調整和協作中能可持續的進行。

（3）虛擬模型設計技術的工作機理：不同于傳統制造行業的虛擬仿真技術，設計者最初的產品便是設計的模型。在智能設計系統中，首先可以定義簡單的受眾群體以確定合理的設計計劃，然后將設計與系統評價進行有效融合，這一過程主要通過數字孿生解決，數字孿生可以看做物理產品的虛擬副本，可以推測模型設計的成型效果及認可度，從而可以引導設計師的設計思路和方向。為了提高預測模型的的可擴展性，需要保證數據流的準確性和互操作性。

基于大數據分析技術的客車造型設計分析概念框架的設計原則如下：

（1）確保造型數據的實時傳輸：整個智能設計系統的價值鏈包括造型、配色、圖案和內飾等，相關設計師應該根據自身需求協調設計，形成動態系統。且自身的設計方案及反饋結果也應向系統提供，以確保設計輸入和輸出的交互式反饋。

（2）確保造型數據的完整性和安全性：大數據分析可以協調智能對象的協作，并真實的反饋給自組織網絡。該系統具有較強的抗干擾能力，保證了數據的完整性和安全性。

（3）確保不同技術之間的互操作性：大數據分析可以動態感知和跟蹤產品制造過程，預測市場需求，保證設計過程的重構和優化。

5 結論

本文首先概述了智能制造理念，主要是大數據分析技術在產品設計中的應用，然后介紹了大數據分析技術在客車造型設計中的應用，并闡述了該領域存在的問題和挑戰。為了解決這些問題，提出了一種基于大數據分析技術的客車造型設計分析概念框架，并介紹了該框架各部分的功能和核心設計思想。這種方法開發了一種新的智能設計模式，專注于基于大數據分析的動態感知和準確預測。本文將大數據分析技術引入客車造型設計領域，旨在為傳統設計方法增添新的活力，為未來的智能制造奠定良好的基礎。本研究將進一步發展該框架并進行深入探索，包括軟件系統的開發和在客車造型設計中的實施。此外，這一系統還將通過大數據分析進一步幫助開發、實施和運營其他設計領域的解決方案。

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