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人机认知协同的复杂装备概念设计：挑战、进展和展望

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机械工程学报 2024年

作者：娄山河冯毅雄胡炳涛洪兆溪谭建荣浙江大学流体动力基础件与机电系统全国重点实验室

传统的计算机辅助设计以几何特征为主导、以定量表征为依据、以经验试错为手段，难以有效支持设计信息残缺且设计认知混沌的概念设计阶段。我国正步入“十四五”发展的新时期，认知科学和人工智能的高度融合为复杂装备概念设计带来了全... 详细信息

传统的计算机辅助设计以几何特征为主导、以定量表征为依据、以经验试错为手段，难以有效支持设计信息残缺且设计认知混沌的概念设计阶段。我国正步入“十四五”发展的新时期，认知科学和人工智能的高度融合为复杂装备概念设计带来了全新的机遇与挑战。人机认知协同的概念设计将设计对象和设计主体有机结合，从经验试错推理发展到设计规律外显认知，揭示设计对象递归迭代与设计主体认知演化的内在联系，实现概念设计抽象认知过程的计算机可理解和可计算。阐述侧重设计对象和侧重设计主体的复杂装备概念设计研究现状，分析客户需求语义认知辨识、思维认知规律神经成像、功构映射智能认知推理和概念方案协同认知决策等人机认知协同的概念设计关键技术。在分析现有计算机辅助概念设计局限性的基础上，对新一代基于人机认知协同的计算机辅助概念设计进行了展望。

关键词：概念设计设计认知人机协同计算机辅助设计

基于多级数据融合的核电站运行功能健康状态评估

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机械工程学报 2024年第4期60卷 200-211页

作者：蒋翔宇冯毅雄洪兆溪胡炳涛司恒远谭建荣浙江大学流体动力基础件与机电系统全国重点实验室杭州310027 贵州大学省部共建公共大数据国家重点实验室贵阳550025 浙江大学宁波科创中心宁波315100 深圳中广核工程设计有限公司深圳518172

随着新一代信息技术和人工智能技术与工业日益深度的融合协作,工业系统的运维从传统的人工定期运维向基于状态的智能维护迈进,其中健康状态评估作为智能运维的关键环节,通过源源不断的数据对系统的演化进行持续感知分析,为预测性维护提... 详细信息

随着新一代信息技术和人工智能技术与工业日益深度的融合协作,工业系统的运维从传统的人工定期运维向基于状态的智能维护迈进,其中健康状态评估作为智能运维的关键环节,通过源源不断的数据对系统的演化进行持续感知分析,为预测性维护提供决策支持。以核电站为研究对象,提出面向多部门协同环境下设备-系统-子功能-功能多层级融合的健康状态评估框架。针对工业系统控制的设备群具有大量状态参数的特点,提出基于偏差赋权的加权平均融合算子融合设备级参数,可快速定位并突出异常设备参数,避免评估结果因融合参数较多而展现“健康”假象;鉴于系统在不同健康状态下样本数据量的差异,提出考虑不平衡样本的非对称多分类学习方法融合系统健康值,多个健康等级之间通过信息有向迁移建立可自学习优化的健康评估模型,实现子功能健康状态及时自感知评估;最后基于集成学习融合多个子功能所属的健康评估器,得到宏观的运行功能健康状态评估决策。在提出的框架指导下对核电站反应性功能进行逐级健康状态评估,验证所提方法的有效性。

关键词：工业系统健康状态评估数据融合核电站基于状态的维护

基于5G多接入边缘计算的云化PLC系统架构设计与应用

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计算机辅助设计与图形学学报 2024年第1期36卷 33-46页

作者：冯毅雄杨晨胡炳涛赖颢善石莹宋光敏汪勇谭建荣浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室杭州3100272 联通(浙江)产业互联网有限公司杭州3111993 浙江中控技术股份有限公司杭州310053

随着工业控制系统对柔性化、扁平化的要求不断提升,以PLC为构建基础的传统工业控制网络在大规模接入、算力提升和部署灵活性方面均受到限制.针对这些问题,融合5G网络和边缘计算技术,设计了基于5G多接入边缘计算的云化PLC系统架构,阐述... 详细信息

随着工业控制系统对柔性化、扁平化的要求不断提升,以PLC为构建基础的传统工业控制网络在大规模接入、算力提升和部署灵活性方面均受到限制.针对这些问题,融合5G网络和边缘计算技术,设计了基于5G多接入边缘计算的云化PLC系统架构,阐述了该架构的运行机制和所涉及的关键技术;在此基础上,进行PLC系统的云化部署和调试,实现了工业现场、企业数据中心、5G网络和边缘网络的集成;最后,通过在某汽车制造公司产线改造过程中的应用,验证了所提架构的有效性.

关键词： 5G 边缘计算云化PLC(可编程逻辑控制器) 架构设计

面向“互联网+”定制产品的智能适应性设计研究

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机械工程学报 2023年第12期59卷 109-125页

作者：胡炳涛冯毅雄刘继红郭伟谭建荣浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室杭州310027 北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京100191 天津大学机械工程学院天津300350

在“互联网+”环境下,用户可以深度参与产品的设计、制造和运维等全生命周期过程,对定制产品的个性化需求程度不断提高。随着定制生产的方式在制造业中占比逐渐增加,如何适应互联网上来源广泛、形式各异的客户需求,提高产品定制设计的... 详细信息

在“互联网+”环境下,用户可以深度参与产品的设计、制造和运维等全生命周期过程,对定制产品的个性化需求程度不断提高。随着定制生产的方式在制造业中占比逐渐增加,如何适应互联网上来源广泛、形式各异的客户需求,提高产品定制设计的智能化水平,推动产品生产模式由均质化向定制化转变,成为“互联网+”定制产品设计需要解决的关键问题。为此,总结“互联网+”环境下定制产品适应性设计的基本原理,提出面向“互联网+”定制产品的智能适应性设计架构,阐述该架构涉及到的三项关键技术,包括全生命周期多模态数据统一表征、需求数据驱动的产品功能-行为-结构映射和变更数据驱动的设计更改路径演化与决策。最后以某型号液压机为例,根据互联网定制客户需求对其油箱进行智能适应性设计,证明所提方法的有效性,为“互联网+”定制产品的设计理论发展提供了参考。

关键词：互联网+ 定制产品适应性设计智能设计数据驱动

模拟人脑工作机制的机械产品概念设计行为原理启发求解方法

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机械工程学报 2023年第24期59卷 344-358页

作者：娄山河冯毅雄郑浩胡炳涛洪兆溪谭建荣浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室杭州310027 北京航空航天大学杭州创新研究院杭州310051

机械产品概念设计是现代设计理论研究的热点问题,其核心是功构映射,即根据既定的功能需求,以行为效应作为中间载体,求解满足设计约束的原理构件组合。以概念设计的功构映射理论作为基础,利用设计师大脑认知过程的神经机制作为依据,提出... 详细信息

机械产品概念设计是现代设计理论研究的热点问题,其核心是功构映射,即根据既定的功能需求,以行为效应作为中间载体,求解满足设计约束的原理构件组合。以概念设计的功构映射理论作为基础,利用设计师大脑认知过程的神经机制作为依据,提出模拟人脑工作机制的机械产品概念设计行为原理启发求解方法。分析前额叶-海马体神经回路中设计经验知识的记忆启发机制,并以此为基础构建行为效应重构的记忆启发强化学习模型,利用多巴胺调控的Q学习在状态转移概率和设计环境回报函数未知的情况下实现行为效应的重构认知传递。同时,分析小脑模块化神经结构的反射调控作用,构建以全连接多层感知机和循环神经网络为模块的约束满足神经网络,形成复杂设计约束下的操作性条件反射判断设计空间中的约束可解性,为原理构件的组合求解提供设计依据。以电梯曳引系统的概念设计为例验证所提出方法的有效性和可行性。

关键词：概念设计功构映射设计认知强化学习约束满足神经网络

面向核电装备的全生命周期价值链协同模式研究

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机械工程学报 2022年第13期58卷 213-227页

作者：胡炳涛冯毅雄密尚华赵泽田司恒远雷玮剑谭建荣浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室杭州310027 深圳中广核工程设计有限公司深圳518172 中广核工程有限公司深圳518038

在总结核电装备高安全、长役期和巨系统特征的基础上,分析了核电装备价值链与产业链的区别,提出核电装备全生命周期价值链具有多核多阶段特征,每个阶段的价值链协同参与主体都可分为领军型企业、跟随型企业和参与型企业,总结了现有核电... 详细信息

在总结核电装备高安全、长役期和巨系统特征的基础上,分析了核电装备价值链与产业链的区别,提出核电装备全生命周期价值链具有多核多阶段特征,每个阶段的价值链协同参与主体都可分为领军型企业、跟随型企业和参与型企业,总结了现有核电装备价值链的不足。设计了一种面向核电装备的全生命周期价值链协同体系架构,从正逆协同、时空协同和虚实协同三个方面构建了满足核电装备横向贯通和纵向联动要求的价值链协同模式,分别解决核电装备质量控制可溯性、数据表征可信性和对象管理可控性问题。阐述了核电装备全生命周期价值链研究与应用融合发展、互相影响的运行机制,并总结了运行过程中涉及到的各类关键技术与软件构件。搭建了协同管控平台并在核电装备领域开展了初步应用,为小批量多品种复杂产品的价值链协同提供了参考。

关键词：核电装备价值链协同模式全生命周期协同管控平台

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复杂产品不确定性智能设计研究综述与展望

机械工程学报 2023年第19期59卷 213-236页

作者：洪兆溪冯毅雄娄山河宋秀菊胡炳涛张志峰谭建荣浙江大学宁波科创中心宁波315100 浙江大学流体动力基础件与机电系统全国重点实验室杭州310027 南洋理工大学机械与宇航工程学院新加坡637460

不确定性现象普遍存在于各个设计环节,使得复杂产品的设计过程越来越复杂,正确认识并掌握设计过程中的各种不确定性是复杂产品智能设计取得成功的必要条件。系统梳理了产品设计中的不确定性因素种类与特征,聚焦于不确定性智能设计的设... 详细信息

不确定性现象普遍存在于各个设计环节,使得复杂产品的设计过程越来越复杂,正确认识并掌握设计过程中的各种不确定性是复杂产品智能设计取得成功的必要条件。系统梳理了产品设计中的不确定性因素种类与特征,聚焦于不确定性智能设计的设计流程,围绕用户需求不确定性智能分析、功能结构不确定性智能求解、设计方案不确定性智能决策、局部参数不确定性智能优化四个方面,分析了其研究现状与应用场景。针对现有不确定性智能设计中存在的强模糊冗余条件下设计意图难提取、不完全可信条件下功能行为难推理、不完备区间条件下设计方案难决策、混合不确定条件下结构性能难预测等问题,提出了复杂产品不确定性智能设计的未来研究方向。

关键词：复杂产品不确定性智能设计用户需求分析功能结构求解设计方案决策局部参数优化

面向人本智造的工业外骨骼：挑战、进展和展望

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计算机集成制造系统 2023年

作者：程鼎豪娄山河郑浩胡炳涛洪兆溪冯毅雄谭建荣南洋理工大学机械与宇航工程学院浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室北京航空航天大学杭州创新研究院

以人为本是工业5.0的重要特征之一，实现以人为本的安全生产是工业5.0背景下人本智造的基本要求。工业生产中仍有部分场景离不开人的精细操作和智能决策，在这些场景中实现以人为本的安全生产可以保护工人安全和提高生产效率。工业外骨... 详细信息

以人为本是工业5.0的重要特征之一，实现以人为本的安全生产是工业5.0背景下人本智造的基本要求。工业生产中仍有部分场景离不开人的精细操作和智能决策，在这些场景中实现以人为本的安全生产可以保护工人安全和提高生产效率。工业外骨骼可以帮助工人减轻身体负担和风险，提高安全生产的效率和可靠性。为促进我国工业外骨骼在汽车装配、电力维修、矿山施工等工业场景中更好地协助工人进行安全生产，总结了国内外工业外骨骼的研究进展，根据人所承担的工作不同将外骨骼划分为用于姿态保持的工业外骨骼和用于负载抬举的工业外骨骼，并围绕工业外骨骼的定制设计、考虑人因的外骨骼控制系统设计、人机信任关系、工业外骨骼信息感知、人机交互以及工业外骨骼变刚度驱动六个方面分析实现以人为本的安全生产关键技术，在此基础上对工业外骨骼实现安全生产的技术发展趋势进行了总结和展望。

关键词：工业5.0 人本智造安全生产工业外骨骼人机交互

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设计知识驱动的不规则多边形排样算法及应用

计算机集成制造系统 2023年第2期29卷 593-603页

作者：冯毅雄钟锐锐张志峰黄城李中凯胡炳涛洪兆溪谭建荣浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室浙江杭州310027 浙江大学设计工程及数字孪生浙江省工程研究中心浙江杭州310027 中国矿业大学机电工程学院江苏徐州221116

为高效解决实际生产制造中的二维不规则多边形排样问题,提出一种设计知识驱动的启发式算法。利用临界多边形判定多边形之间的相对位置,并建立局部适应度数学模型用于衡量多边形的贴合程度;根据设计知识建立数学模型来评价多边形待摆放位... 详细信息

为高效解决实际生产制造中的二维不规则多边形排样问题,提出一种设计知识驱动的启发式算法。利用临界多边形判定多边形之间的相对位置,并建立局部适应度数学模型用于衡量多边形的贴合程度;根据设计知识建立数学模型来评价多边形待摆放位置,利用基于局部搜索的贪心算法完成排样。通过对国际通用基准用例进行实验测试并与现有智能优化算法进行对比,证明了所提算法在排样质量与时间性能上不但具有一定优势,而且稳定性高。通过实际生产中样片数据的实验测试证明了所提算法的实用性。

关键词：不规则排样问题临界多边形知识驱动启发式算法