（车辆工程专业论文）基于数据挖掘的汽车整车方案设计决策模型的研究.pdf

独创性声明本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并春示死谢意、研究生( 签名) ：五强趟日期：匕! ! ：型： 7关于论文使用授权的说明本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文( 保密的论文在解密后应遵守此规定)研究生。签孙磷。签名) 叁盛吼耻办7武汉理工大学硕士学位论文摘要汽车整车方案设计是一个具有创造性、多解性、近似性、经验性和综合性的复杂决策过程，对于整个汽车设计过程具有决定性的作用。基于数据挖掘的汽车整车方案设计决策模型有效嵌入了数据挖掘、人工智能和产品方案设计等理论与技术，是提供方案设计决策支持的关键技术，同时也是我国机械及汽车行业亟待研究的课题。该研究首先分析了当今汽车制造企业所面临的挑战以及在汽车设计过程中所遇到的问题，阐明了汽车整车方案设计的研究目的与意义；其次，分析了相关领域问题的概念，包括汽车整车方案设计内容与方法、设计特点、数据挖掘相关知识理论等；最后，建立汽车整车方案设计决策模型，通过数据挖掘理论和决策树算法，实现了决策模型的求解。本研究以汽车整车方案设计为结合领域，研究了领域问题的q u i n t 模型求解方法。针对汽车整车方案设计的特点，建立汽车整车方案设计模型，采用数据挖掘理论方法和决策树算法对模型进行求解，并通过本研究建立的模型和求解算法对汽车整车方案设计决策模型进行计算，计算结果显示，决策模型算法精确度较高，匹配性能较好；本文深入研究了基于决策树算法的汽车整车决策方案设计，通过决策树算法进行聚类分析，最后得到了良好的聚类结果，并获得了知识规则，证明了基于决策树的聚类分析方法在汽车整车方案设计和参数匹配中的成功应用。本研究在汽车整车方案设计总体框架下，可实现决策支持系统的系统开发，以辅助整车设计时的方案决策，并为客户个性化定制提供方便、快捷的设计方案。关键词：数据挖掘，方案设计，决策模型，聚类分析，m a t l a b武汉理工大学硕士学位论文a b s t r a c ta u t o m o b i l ec o n c e p t u a ld e s i g ni sac o m p l e xd e c i s i o nf u l lo fi n n o v a t i o n ,m u l t i s o l u t i o na p p r o x i m a t i o n , e x p e r i e n c e ，i n t e g r a t i o n , w h i c hi sac r u c i a lp h r a s ei na u t o m o b i l ed e s i g n r e s e a r c ho nt h ed e c i s i o nm o d e lo fa u t o m o b i l ec o n c e p t u a ld e s i g nb a s e do nt h et h e o r yo fd a t am i n i n ge f f e c t i v e l ye m b e d d e dd a t am i n i n g ，a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c ea n dt h ep r o d u c tc o n c e p t u a ld e s i g nt h e o r ya n dt e c h n o l o g y ，w h i c hi san e c e s s a r ym e a n st op r o v i d ed e c i s i o ns u p p o r tf o rc o n c e p t u a ld e s i g na n da l s oi sa nu r g e n tp r o b l e mt ob er e s o l v e di nm e c h a n i c a la n da u t o m o b i l ei n d u s t r yo fc h i n a t 1 1 i ss t u d yf i r s ta n a l y z e st o d a y sc h a l l e n g e sa n dp r o b l e m st h a ta u t o m o b i l em a n u f a c t u r e r sa r ef a c i n g ，a n dt h ep r o b l e m se n c o u n t e r e di nt h ea u t o m o t i v ed e s i g np r o c e s s i l l u s t r a t i n gt h ep u r p o s ea n dm e a n i n go fa u t o m o b i l ec o n c e p t u a ld e s i g n s e c o n d ，i ta n a l y z e st h er e l a t e df i e l d s 。c o n c e p t s ，i n c l u d i n gc o n t e n t sa n dm e t h o d sd e s i g nf e a t u r e so fa u t o m o b i l ec o n c e p t u a ld e s i g na n dk n o w l e d g eo fd a t am i n i n gt h e o r ye t c ；f i n a l l y ，e s t a b l i s h i n gt h ed e c i s i o n - m a k i n gm o d e lo fa u t o m o b i l ed e s i g n a c h i e v i n gt h es o l u t i o nd e c i s i o n - m a k i n gm o d e lt h r o u g hd a t am i n i n ga n dd e c i s i o nt r e ea l g o r i t h m si nt h i ss t u d y , a u t o m o b i l ec o n c e p t u a ld e s i g ni st a k e na sac o m b i n e dr e s e a r c hf i e l da n dt h em e t h o do fq u n i tm o d e li nt h i sd o m a i ni ss t u d i e do n b e i n ga r m e da tt h ec h a r a c t e r so fv a r i a n td e s i g nf o rc o m p l e xa u t o m o b i l ec o n c e p t u a ld e s i g n , e s t a b l i s h i n ga u t o m o b i l ed e s i g nm o d e l ，u s i n gd a t am i n i n gm e t h o d sa n dd e c i s i o nt r e ea l g o r i t h mt os o l v et h i sp r o b l e m ，e s t a b l i s h i n gm o d e la n ds o l u t i o na l g o r i t h mf o rd e c i s i o n - m a k i n gm o d e lo fa u t o m o b i l ed e s i g ne s t a b l i s h e db yt h i ss t u d y ，t h ep r o g r a mr e s u l t sa n ds u c c e s s f u la u t o m o b i l em o d e l si nt h ed a t a b a s ei si n s i g n i f i c a n t , i ts h o w st h eh i g h e ra c c u r a c yo ft h ea l g o r i t h m a n dt h em a t c h i n gp e r f o r m a n c ei sb e t t e r t h i sp a p e rm a k e sad e e ps t u d yi na u t o m o b i l ec o n c e p t u a ld e s i g nb a s e do nd e c i s i o nt r e ea l g o r i t h m f i n a l l yg e t t i n gag o o dc l u s t e r i n gr e s u l ta n dg a i n i n gt h ek n o w l e d g er u l e st h r o u g ht h ed e c i s i o nt r e ec l u s t e r i n ga l g o r i t h m t h e s ep r o v e dt h es u c c e s s f u li na u t o m o b i l ec o n c e p t u a ld e s i g nb a s e do nc l u s t e ra n a l y s i sm e t h o d - - d e c i s i o nt r e et h i ss t u d yr e a l i z e st h es y s t e md e v e l o p m e n to fd e c i s i o ns u p p o r ts y s t e mt os u p p o r td e c i s i o n - m a k i n gp r o g r a ma n dp r o v i d e so u rc u s t o m e r s c u s t o m i z a t i o nc o n v e n i e n ta n de f f i c i e n td e s i g nb a s e do nt h eo v e r a l lf r a m e w o r ko fa u t o m o b i l ed e s i g n k e yw o r d s ：d a t am i n i n g ：c o n c e p t u a ld e s i g n ；d e c i s i o nm o d e l ；c l u s t e ra n a l y s i s ；m a t i a b武汉理工大学硕士学位论文目录摘要ia b s t r a c t i i目录i第1 章绪论11 1 课题研究的背景11 2 课题研究的目的与意义。21 3 相关领域问题国内外研究现状31 3 1 汽车整车方案设计研究现状31 3 2 数据挖掘理论的研究现状51 3 3m a t l a b 及其应用概述61 4 文本的研究内容与组织框架71 4 1 研究内容71 4 2 组织结构。7第2 章汽车整车方案设计基本理论，92 1 机械产品设计概述92 1 1 新产品设计的四个阶段92 1 2 新产品方案设计的一般过程92 1 3 方案设计中的决策1 12 1 4 方案设计的特征1 12 2 汽车整车方案设计概述。1 22 2 1 汽车整车方案设计重要性1 22 2 2 汽车整车方案设计类型1 22 2 3 汽车整车方案设计的要求l32 3 汽车整车方案设计的内容1 32 4 汽车整车方案设计过程分析1 52 4 1 方案设计模型q u i n t 概述152 4 2 基于q u i n t 模型的汽车整车方案设计过程分析1 62 5 汽车整车方案设计特点1 72 6 本章小结1 7武汉理工大学硕士学位论文第3 章数据挖掘理论在汽车整车方案设计中的应用l83 1 知识与分类1 83 2 数据挖掘相关理论1 93 2 1 知识发现与数据挖掘1 93 2 2 知识发现过程与各阶段任务1 93 2 3 数据挖掘的任务2 03 3 数据挖掘方法2 l3 3 1 聚类分析2 l3 3 2 关联规则发现2 23 3 3 异常发现2 33 3 4 分类发现一2 43 4 数据挖掘算法2 43 4 1 决策树算法2 43 4 2 贝叶斯算法2 53 4 3 神经网络算法2 53 4 4 遗传算法2 63 4 5 粗糙集算法2 63 5 基于决策树算法的汽车整车方案设计模型。2 73 5 1 决策树算法相关知识2 73 5 2 决策树算法的基本概：基：2 83 5 3 汽车整车方案实例分析3 l3 6 本章小结i 3 7第4 章汽车整车方案设计实例聚类分析3 84 1 聚类分析基本原理3 84 1 1 区间距离3 94 1 2 相似系数4 04 1 3 系统聚类法。4 14 2 分层聚类法4 24 2 1 最短距离法4 24 2 2 最长距离法4 54 2 3 中间距离法4 6jn武汉理工大学硕士学位论文4 2 4 其他方法：4 84 3 聚类过程分析4 94 3 1 生成信息矩阵4 94 3 2 聚类分析4 94 3 3 解释分析结果5 04 3 4 分析结果的应用5 04 4 基于m a t l a b 的汽车整车方案实例聚类分析5 04 4 1 聚类过程514 4 2 确定分类数5 54 5 本章小结。j 5 9第5 章汽车整车方案设计d s s 的实现6 05 1 系统的总体设计6 05 1 1 系统的实施6 05 1 2 系统的数据计算流程6 15 2 系统g u i 的设计与实现6 25 2 1m a t i ，a b 下g u i 的概述6 35 2 2 程序菜单设计6 55 2 3 界面菜单设计与实现6 55 2 4 系统工具栏的设计与实现6 65 3 系统主要功能的实现6 75 3 1 实例聚类的g u i 实现6 75 3 2m a t l a b 在参数匹配中的应用7 0第6 章结论与展望7 4参考文献。7 6研究生期间发表的论文7 9致谢8 0武汉理工大学硕士学位论文1 1 课题研究的背景第1 章绪论到今天，汽车工业的发展已有1 0 0 多年的历史，汽车整车方案设计的研究也伴随着汽车工业的发展而逐渐成熟。自上个世纪8 0 年代以来，计算机技术得到迅猛发展，人工智能理论与技术在汽车制造业中的应用越来越多，在这一背景下，汽车整车方案设计决策支持系统的概念应运而生。传统的汽车设计，只停留在零部件与零部件的“配合”上，或是总成与总成之间的衔接，这一过程由研究人员设计的图纸来完成，这既浪费了人力和物力，也使得新产品从研发设计到投放市场的时间过长。2 0 世纪8 0 年代伴随着计算机技术的发展，“丰田生产系统”( t o y o t ap r o d u c t i o ns y s t e m ，t p s ) 取得了巨大的成功，将浪费减少到了最小。汽车整车方案设计就是以t p s 为研究出发点，建立一个有效的制造模型，而这个模型最重要的内容就是决策模型的设计，决策支持系统不应简单的把制造看做是对设计人员的约束，它应能使设计人员意识到他的产品向消费者服务并赚钱。市场竞争的需求，各种新理论、新技术、新工艺、新材料不断涌现，推动了汽车新产品的研发力度。汽车产品设计已从传统的人工经验图纸设计进入到了以计算机技术为主的无图纸现代设计。随之而来，汽车整车设计特征及结构，设计模型，设计方法与策略，图形信息交换方式等都发生了深刻的变化。现代设计理论是传统设计的深入、丰富与完善，而非独立于传统新产品研发的一种新理论。汽车整车方案设计是汽车新产品研发过程的一个重要环节，汽车整车方案设计过程决定了该款车7 0 的性能，这也是汽车整车方案设计在各大汽车制造商中得到重视的原因。2 0 1 0 年2 月9 日，因刹车系统稳定性问题，丰田汽车公司在北美召回1 3 3 万辆普锐斯，然后事情还没有结束，丰田在数月内又召回雷克萨斯和其他车型，本田、保时捷等汽车豪门也深陷“召回门 。从中我们可以看出单独从汽车的制造过程来分析优化问题已不能解决实际问题，汽车整车方案设计的重要性和研究的深度还有待于提高。1武汉理工大学硕士学位论文1 2 课题研究的目的与意义产品技术创新和新产品的研发能力是一个国家综合国力的体现。以知识工程为基础的新产品创新竞争已成为全球制造业竞争的核心所在。建立以知识工程为基础的产品开发系统已成为摆在我们面前且必须解决的重大问题。汽车制造业是与机械电子、石油化工、建筑业并列的国家支柱产业，整体水平也体现了一个国家综合国力的强弱，汽车整车方案设计阶段的成果决定了汽车产品的最终使用性能和制造成本，汽车整车方案设计必须建立在对现有汽车设计知识的收集上。我国汽车工业的奠基人孟少农曾经指出“宏观的汽车设计不是直接的工程计算，而是综合推理、决策、创造的过程，i 。在汽车整车设计阶段，计算的工作量约占总工作量的2 0 ，剩下的8 0 的工作如果只是沿袭以往的方法，其效果是很有限的。目前我们就需要一种有效方法来处理这8 0 的工作。目前，在汽车整车方案设计领域需要一种有效的决策支持系统来辅助汽车产品的设计过程 2 1 。本研究是以汽车整车方案设计专家资料为总参考点，通过对汽车总体形式、尺寸参数、质量参数、性能参数、主要总成选型等进行合理的匹配，设计出汽车整车方案。本研究的重点是将数据挖掘理论应用到决策模型的研究中，完成对决策模型的功能设计与实现。最后通过可视化编程语言m a t l a b 完成汽车整车方案决策支持系统实验原型系统并完成相关功能。本研究理论为汽车整车方案设计阶段提供了一种新的决策模型的研究方法。汽车整车方案设计研究的意义：( 1 ) 社会需要。传统的计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，c a d ) 系统提高了新产品研发阶段的生产效率与质量，但是决定新产品最终价值8 0 以上的汽车整车方案设计阶段，目前还没有一个比较完善的c a d 系统提供设计支持，况且详细设计阶段很难纠正方案设计阶段的缺陷3 1 。这严重影响了新汽车的开发，因此开发一种能够模拟并替代设计者思维过程的、支持新产品设计的智能计算机系统，以适应日益加快的新产品开发要求，已成为一种趋势。国内汽车制造企业长期把重点放在汽车开发和生产上，对产品服务重视不够，服务能力有限，导致服务水平的提升速度远远落后于整个汽车行业发展速度，因此我们提出了在汽车设计过程中引入个性化定制的服务以更好的辅助汽车设计。此外，随着汽车产业的发展，消费者的个性需求明显，订单生产方式几乎成为了主流。2武汉理工大学硕士学位论文利用决策支持系统实现快速、高效的汽车整车方案设计，对于快速响应消费者的个性化需求是非常重要的。为了解决上述问题，研究和开发汽车整车方案设计决策支持系统，辅助设计者解决方案设计这个具有创造性、近似性、经验性、多解性、综合性的复杂决策过程，对于整个汽车生产过程具有决定性作用，显得尤为迫切4 1 。( 2 ) 研究和发展( d e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m ，简称d s s ) d s s 的需要。决策支持系统属于新兴的交叉学科，是将人工智能理论系统化、具体化的结果5 1 。目前，d s s 的主要应用领域是解决经济和管理类的决策问题，研究汽车整车方案设计决策支持系统对于推广人工智能理论在汽车新产品研发设计领域具有重要的意义。( 3 ) 新产品研发的需要。决策支持系统采用计算机辅助求解决策问题模型，研究其开发技术对于汽车新产品设计和生产过程的规范化、系统化具有重要的意义【6 】。( 4 ) 汽车工业发展的必然趋势。汽车整车方案设计主要是以总成和相关参数的匹配为研究出发点，这样采用d s s 不仅提高了产品开发过程的效率，还在无形当中降低了成本，提高了产品的质量，因为d s s 将整个研发过程系统化，更好的协调了各部门的工作参与口1 。汽车整车方案设计只是汽车新产品研发的起始阶段，但这个阶段决定了该款车7 0 - - 8 0 的性能，所以整车方案设计不仅对汽车新产品的制造过程有重要影响，也对新产品走向市场和新产品的整个使用过程有重要影响。把好汽车新产品设计这一关，不仅可降低制造成本，并保证产品的使用性能和寿命，增强产品的市场竞争力，实现良好的经济效益。同时，如果汽车整车方案设计方法正确，还可以降低汽车新产品的制造与使用能耗，减少制造与使用过程对环境的负面影响，便于资源回收与再利用，有利于可持续发展的基本国策【8 】。所以汽车整车方案设计至关重要。将人工智能领域的相关技术和计算机理论应用到汽车整车方案设计中，对于提高我们设计和开发现代汽车的水平有很大帮助。1 3 相关领域问题国内外研究现状1 3 1 汽车整车方案设计研究现状汽车整车方案设计是汽车行业一个新兴的研究领域，随着计算机技术和人3武汉理工大学硕士学位论文工智能理论的发展而逐渐成熟。尤其是决策支持系统和专家系统等知识工程理论的出现，使设计人员对汽车设计有了更深入的认测引。汽车整车方案设计是一项分析与综合的复杂设计过程，为了得到最佳整车设计方案，设计者要参阅大量的文献和相关数据，进行综合性的分析、比较、推理、评价。传统的汽车设计主要包括以下几个内容：( 1 ) 确定整车形式、结构及其参数。( 2 ) 确定整车的主要性能指标。( 3 ) 初选各总成结构形式、尺寸和性能。( 4 ) 协调各总成与整车的关系。从这四点内容我们可以看出，目前常见的c a d 系统能较好的完成设计计算类的工作，也就是前三点的内容。而对于汽车整车方案设计分析评价和推理的工作就显得深入较少，而这正是我们研究的关键所在。将知识工程和c a d 系统结合建立起能支持汽车方案设计的全过程辅助系统，即：汽车整车方案设计决策模型的研究，正是当今我们要面对和解决的问题【l o 】。目前，各大汽车公司都对决策支持系统和人工智能领域的知识工程( k n o w l e d g eb a s e de n g i n e e r i n g ，k b e ) 在汽车整车方案设计中的应用有了更深入的认识，很多大公司都着手这方面的建设。如美国通用汽车公司和波音飞机公司等，将i n t e r n e t 智能推理语言应用到其c a d c a e 中，并成立了全美知识工程研究开发项目组。我国在该领域做的工作不多，起步较晚，但是在其它领域开发专家系统和决策支持系统方面拥有丰富的经验。同济率先在国内进行d s s在汽车领域的应用研究工作，为u g 公司完成了齿轮设计d s s 项目，并正在进行车身设计d s s 开发项目和整车设计项卧u 】。西南交通大学机械工程学院车辆工程专业于2 0 0 2 年5 月发表一篇论文汽车方案设计智能决策支持系统的开发技术研究，从整体上对汽车整车方案设计有了新的设计思路，但d s s 体系的建立不是很完善。决策支持系统( d e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m ，d s s ) 是由美国人m s m o r t o n于2 0 世纪7 0 年代末在管理决策系统中首先提出来的，是在管理信息系统( m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ，m i s ) 和运筹学( o p e r a t i o n a lr e s e a r c h ) 的基础上发展而来的新型交叉学科，由于计算机理论与技术在各行业的广泛应用，决策支持系统现已成为管理工程、系统工程和人工智能领域十分活跃的研究课题。决策支持系统经历了几十年的发展，至今仍没有一个完善的定义，少数文献和参考书籍将其定义为：d s s 是信息论、管理科学、运筹学和行为科学为基础，以计算机和仿真等技术为手段，综合利用现有的数据和模型，通过人机交互方式辅助解决结构化和半结构化问题的集成系统。随着科学技术的发展，d s s4武汉理工大学硕士学位论文发展到今天已形成了完善体系，由决策者、人机交互系统和“四库 ( 数据库、模型库、知识库、方法库) 组成【1 2 1 。逻辑关系更加复杂，实现的功能也越来越强大。将d s s 应用到汽车整车方案设计中，将要实现的功能和要解决的问题模型化将会把汽车整车方案设计理论推向一个新的高度。1 3 2 数据挖掘理论的研究现状数据挖掘d m ( d a t am i n i n g ) 相对于其它信息技术来说还是一种较新的技术。这门技术可以追溯到2 0 世纪9 0 年代初1 1 3 1 。但数据挖掘并不是一种新的观点。数据挖掘在一定程度上和k d d ( k n o w l e d g ed i s c o v e r yi nd a t a b a s e s ，知识发现)是相关的。知识发现最早于1 9 8 9 年被提出，“强调知识是数据驱动发现的最终产品”【1 4 1 。在一定意义上，数据挖掘就是知识发现的一个步骤。然而在更广泛的领域上，数据挖掘和知识发现是同义的。数据挖掘最早是用在试验室，为解决特定问题的，学者的研究也集中在数据挖掘技术上。然而现实中对数据的处理更加复杂，当认识到任务的艰巨性后，人们开始集成了一些传统的数理统计的软件系统用在数据收集、转换和取样上，例如s a s 和s p s s 0 5 j 。然而，这些系统都要求使用者在数据挖掘技术或者算法上具备专业知识。所以它们很难被商业用户所接受。商业用户在他们日常的工作中想要系统能够简单、易用。当意识到数据挖掘能够给商业或组织带来潜在利益的时候，一些专门为客户定制的数据挖掘产品在9 0 年代末就出现了，数据挖掘在这段时间得到了迅速的发展，它不仅是因为商业的需要，还要得益于数据获取技术的发展和存储数据的数据管理系统的发展，特别是数据仓库技术d w ( d a t aw a r e h o u s i n g ) 的发展，它使得系统能够在线收集和整理业务数据【l 引。数据挖掘是一个多样化的研究领域，它也不断的吸收从数理统计学、数据库系统、模式识别、数据可视化、高效运算和来自人工智能的机器学习。研究者以及科研人员在这些学科方面对数据挖掘也做出了很大的贡献。国内学者对于数据挖掘技术研究比较晚。其研究主要集中在数据挖掘系统设计、数据挖掘算法和数据挖掘应用上。在系统设计方面：汤宇松介绍了数据挖掘系统的概念及具体的运做流程，并因此提出了一个原形系统的构建模型。黄源论述了数据挖掘的概念及其工作流程，针对不同的功能类型相对于数据挖掘的技术实现进行了分析。在算法方面：王东龙提出了遗传算法的基本原理，以及遗传算法在数据挖掘技术中的地位和基于遗传算法的最优客户群体数据挖掘算法。郑志军5武汉理工大学硕士学位论文对数据挖掘中的分类问题提出了一种利用神经网络抽取分类规则的方法。李永敏提出了一种基于粗糙集理论的数据挖掘模型，并应用模型进行推理和决策分析，用给定的对象信息与模型中相应节点的规则进行匹配，然后选用某种评判算法得出结论，这种方法目前较为流行【l7 1 。王清毅讨论了数据挖掘算法的评价标准问题，然后运用数据封装分析方法评价了目前的分类算法，并对目前的关联规则挖掘算法进行了评价。唐华松给出了数据挖掘中决策树算法的基本思想，然后讨论了决策树算法中的难点问题，提出了利用信息熵与加权和的思想来选择取值的算法。在应用方面：主要是针对商业和金融系统，也有学者用在c r m系统中。数据挖掘技术的诞生、发展、应用是多种元素共同作用的结果。一方面，在商业上提出了商业智能( b u s i n e s si n t e l l i g e n c e ，b i ) 的需求，并把b i 作为一种帮助企业达到经营目标的有效手段。另一方面，随着数据库技术的发展，大规模数据的出现，以及先进计算机技术、精深的计算方法的出现也为数据挖掘技术的产生和发展提供了充足的技术背景。1 3 3m a t l a b 及其应用概述m a t l a b 是由m a t h w o r k s 公司于1 9 8 4 年推出的一套科学计算软件，是目前应用最为广泛的数学计算软件u 阳。它不但具有以矩阵计算为基础的，面向大数据量的强大数据计算能力和计算分析功能，而且具有丰富的可视化图形表现功能和方便的程序设计能力，以及与其他程序和语言接口的便捷功能，就它的功能而言，已经超越了数学的范畴n 蝴。图形用户界面( g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e s ，g u i ) 是m a t l a b 中由窗口、键盘、鼠标、文字说明、光标等对象( o b j e c t s ) 构成的一个用户界面，也是目前较为流行的界面编程方法，g u i 对界面的生成，也是通过m 语言来实现的，因此，它也秉承了m 语言的优点，其g u i d e 用户界面设计更加人性化2 。因此，在决策支持系统的开发和数据库模型的建立上都有着较为广泛的应用。g u i 充分利用了m a t l a b 的图像处理、大数据量处理和用户交互图形界面设计功能，其成功充分证明了m a t l a b 在图形用户界面设计、大数据量处理方面的优势，以及基于m a t l a b 开发数据分析与处理软件的技术可行性。6武汉理工大学硕士学位论文1 4 文本的研究内容与组织框架1 4 1 研究内容本文主要研究了基于数据挖掘的汽车整车方案设计决策模型的构建以及系统的实现，通过m a t l a b 对车型实例库的数据进行调取计算，完成对实例的聚类和参数的选择，对汽车整车方案设计的概念设计阶段起到很好的指导作用，主要研究的内容如下：( 1 ) 本研究分析了汽车整车方案设计的内容，确定了汽车整车方案设计决策模型的建立方法。采用q u i n t 模型对汽车整车方案设计的过程做了结构与理论上的分析，制定了汽车整车方案设计决策模型的求解过程，进一步奠定了使用d s s 来求解汽车整车方案设计决策模型的重要性；本文还分析了汽车整车方案设计的设计类型和设计特点，并最终确定了面向对象法作为系统分析方法，原型法作为系统开发方法，并最终实现了系统的开发。( 2 ) 本研究作为一种基于数据挖掘的产品设计方法，它的主要内容之一就在于待求解问题知识的表达。国内外汽车制造企业都对新车型参数的选择和匹配做了大量的研究。特别是近年来，随着数据挖掘技术的广泛使用，新产品参数匹配作为其主要技术，再次得到了人们的重视，国内外学者在汽车整车参数匹配上提出了很多方法，但目前的这些研究大多都停留在理论层面。本文研究了基于数据挖掘的汽车整车参数匹配方法，完成了数据挖掘知识理论对汽车整车方案模型的建立，本研究又完成了汽车整车方案设计d s s 的建立并实现了相应的功能。( 3 ) 本研究提出了基于数据挖掘的汽车整车方案聚类分析方法和决策树算法，并以“距离”为标准将实例库中实例进行了分类。从分类的结果中我们可以发现不同车型之间的关联程度并对聚类结果做了深入的分析，分析结果对新产品开发生成设计规范及达到降低成本的设计目标具有指导作用。它的意义在于使汽车整车制造企业在新产品的概念设计阶段就能够深入了解该车型的性能以及要满足客户需求的指标，可以极大限度地减少新产品开发设计的盲目性。1 4 2 组织结构本文对汽车整车方案设计决策模型做了深入的研究，结合了数据挖掘、决策支持系统、知识分类与表述、模型系统设计等知识理论，并对系统功能的实7武汉理工大学硕士学位论文现进行了具体的说明。论文组织结构如图所示：第一章绪论。课题的提出基于各大汽车厂商“召回门 对汽车产业的冲击，在分析了当前汽车整车设计特点的同时，引出了论文的研究出发点：汽车整车方案设计模型的研究，指出了课题研究的目的和意义。在参考了国内外相关领域研究现状之后，最终选择将数据挖掘理论应用到汽车整车方案设计领域。第二章汽车整车方案设计知识理论。概括了机械产品设计的内容与过程，介绍了汽车整车方案设计的内容与方法，分析了汽车整车方案设计过程以及汽车整车方案设计的特点。第三章和第四章数据挖掘理论在研究领域的应用。该部分也是论文知识理论体系构建的部分，包括分类的表达方式，以及数据挖掘的方法和决策树算法。最后通过对汽车整车方案实例库中的实例进行聚类分析，证明了该知识理论模型建立的正确性，验证过程都是通过m a t l a b 中m 语言实现的。第五章系统模型的实现与应用。详细介绍了m a t l a b 环境下g u i 设计的主要方法，设计并实现了系统主界面和两大功能模块的用户操作界面。本章还对系统各主要功能的实现和具体应用进行了阐述，包括聚类分析和参数的选择，验证了基于m a t l a b 平台、数据挖掘知识理论在汽车整车方案设计中的可行性和有效性。第六章是对本研究工作的总结以及下一步研究的展望。论文的整体框架结果如下：第一稚分。第章概述i提出闯思厂第二章、fj - - - 章第四章、汽车整车方案设整车方案实例分基于数据挖掘的整车方案设计决第二部分计内窖，方法与类与知识表述簟模型求解理论分析与解决问最特点+过程设计l- ，j 皇数据挖掘方法! = 点l与算法基于q t m c r m 型1聚类性分析可行l的汽车整车方案设计过程分析模型的描述弋第三部分第五章基于m a l l 柚砌的模型系统实现与应用模型系统的实现第四部4 t -第六章总结与展望全文总结8武汉理工大学硕士学位论文第2 章汽车整车方案设计基本理论2 1 机械产品设计概述2 1 1 新产品设计的四个阶段在新产品研发过程中，企业采用订单生产方式，设计人员根据对用户给出的对新产品的指标要求，分析设计性能问题，从技术角度，经济和周期等方面论证各种可行的技术方案和研究途径，给出初步方案建议，综合所有设计方案，并对初始方案具体化。一般来说，按新产品的研发过程，并参照订单生产方式，新产品研发可分为需求分析、方案设计( 概念设计) 、技术设计( 详细设计)和施工设计四个阶段【2 l 】。( 1 ) 市场需求分析。该阶段是根据企业订单生产方式，在市场经济条件下，深入的进行用户需求分析显得很重要，如果对市场需求分析的不得当将会导致恶性循环，是的研发出的新产品产销供应链出现问题，甚至为消费者所抛弃，浪费了大量的人力、物力与财力。( 2 ) 新产品方案设计。这个阶段是产品的概念研发阶段，也是本文研究的出发点，该阶段承载了新产品的功能、质量等重要的问题，因此该阶段作出的决策一定要月上一阶段市场需求分析作出的判断相一致，这样才能保证产品研发的正确性。( 3 ) 新产品技术设计。该阶段是将新产品方案设计阶段分成若干个功能模块，然后对各个模块分层设计。换句话说该阶段是对方案设计化整为零，根据各个模块的完成，最后组成一个完整的产品概念。( 4 ) 新产品施工阶段。该阶段是新产品的生产阶段，包括图纸的生成、实体模型的建立、各功能模块的仿真，该阶段包括了产品生成的过程工艺水平也间接的影响了产品的质量。以上四个阶段是新产品研发的整个阶段，更是新产品研发的重要环节。2 1 2 新产品方案设计的一般过程新产品的绝大多数经济技术指标都是在方案设计阶段确定的。新产品方案设计一般包括：信息获取、问题识别、形成方案、选择方案和输出方案五个步骤，如下所示【2 2 j ：9武汉理工大学硕士学位论文图2 1 产品方案设计的几个步骤( 1 ) 信息的获取。该过程包含两个部分，第一个部分是研究人员通过实际考察和市场调研，获得消费者对产品的要求( 包括性能要求和经济性要求等) ，第二部分是设计人员根据企业原有产品的资料信息( 如产品的尺寸和功能等)作出相应的改变和调整。( 2 ) 问题的识别。该阶段就是对所获取的原始数据和设计约束信息进行分解，逐个模块的完成系统要求的所有功能，这里需要指出的是系统功能与功能之间必须是相匹配的，在生成系统的最后阶段，功能模块之间不能发生冲突和不必要的重合。( 3 ) 形成设计方案。新产品方案设计实际上是指新产品的理论设计。该阶段是对方案的最终评价，该阶段还要完成新产品的建模与仿真，进而验证所形成的设计方案的可行性。( 4 ) 选择设计方案。根据我们对前三个阶段的设计，最终形成了若干个可行性方案，而这几个方案都符合我们的设计要求。这时候我们就要参考实际生成过程的成本问题和方案实施过程的难度问题，进而舍弃一些相对复杂的方案将最优秀的方案作为最终的才考。产品的研发过程是一个周而复始不断循环的过程，产品在这个过程中不断完善，功能不断强大。( 5 ) 输出最终结果。通过对最终方案的评价，完成产品概念的展现，包括模型的展示和以图表说明等形式来完成，表达的形式多种多样。以上几个过程是产品研发的一般过程，几个过程相辅相成，缺一不可。1 0武汉理工大学硕士学位论文2 1 3 方案设计中的决策决策过程可概括为：情报活动、设计活动、抉择活动和实施活动四个阶段。这是决策学的先驱s i m o n 对决策过程的概括。通过前几个阶段对信息的获取以及计算与转换，形成最后的满意结果 2 3 1 。如图( 2 2 ) 所示：图2 2 决策的一般过程方案设计是一个反复推理的决策过程，经过数次的方案评价和优化，形成最终方案，这个决策可分为四1 ：( 1 ) 设计过程决策。即决定总方案的各个工作环节应该做些什么，确定设计问题的步骤。( 2 ) 技术问题决策。即对某个技术问题经过分析、计算和优化后，决定是否采取决策方案。2 1 4 方案设计的特征( 1 ) 重要性。新产品方案设计阶段考虑了新产品各个方面的属性，包括功能属性与实体属性等，产品方案设计阶段与产品详细设计阶段所承担的责任不同，要求也有所区别。实践告诉我们新产品最终价值的7 0 一8 0 都产生于产品方案设计阶段。同时，如果产品方案设计阶段的错误如不加以控制和改正，会在产品成型之时逐渐放大，而造成不可挽回的经济损失眨5 1 。( 2 ) 知识密集性。新产品研发是一个复杂的阶段，相对较难。该过程需要的知识也多种多样，包括知识专家对新产品研发的意见与建议等经验知识，还1 1武汉理工大学硕士学位论文有新产品调研过程中信息的获取等，只有设计人员掌握了大量的实例与经验才能在该阶段设计出较为符合实际的产品。( 3 ) 创造性。方案设计处于新产品研发过程的上游阶段，该阶段最需要设计人员的知识2 们。( 4 ) 复杂性。产品方案设计通常是“设计评价一再设计 的决策过程。该过程反反复复相对较为麻烦与复杂，所以从设计过程的工作量来考虑，新产品方案设计具有复杂性。2 2 汽车整车方案设计概述2 2 1 汽车整车方案设计重要性汽车设计按工作阶段的不同，设计开发工作有以下几个层次 2 7 1 ：( 1 ) 汽车整车设计。整车设计解决的问题是将消费者对社会的要求由汽车的相关性能和整车性能来完成。汽车整车设计概念比较大既有人与物的关系，又有物与物的联系，汽车整车设计是工程科学、社会科学和其他知识的有机结合体。( 2 ) 汽车总成设计。汽车总成设计要解决的问题是汽车各部分总成或零部件相互匹配的问题。( 3 ) 汽车零部件的设计。汽车零部件设计要解决的问题是汽车零部件生产工艺和使用寿命等。后两个设计是实体上的设计，属于“物与物 的问题。而本论文的出发点是指( 1 ) 层次阶段的汽车整车方案设计，要实现的功能和要求全部出自于此，汽车整车方案设计是汽车设计最关键部分。2 2 2 汽车整车方案设计类型根据汽车整车方案设计的设计要求，可将设计类型分为3 种基本类型【2 8 】：( 1 ) 创造性设计( c r e a t i v ed e s i g n ) 。这种创造性设计是一种完全设计方法类型。( 2 ) 适应性设计( a d a p t i v ed e s i g n ) 。汽车整车方案设计的目标是确定的，但如果将设计过程分解，功能模块的实现可能要随着用户要求的变化而有所改变。1 2武汉理工大学硕士学位论文( 3 ) 变型设计( v a d a n td e s i g n ) 。此类型是在汽车整车方案设计的设计要求和实现方式不变的情况下，单独对某个模块进行修改设计进而影响到这个设计过程。2 2 3 汽车整车方案设计的要求汽车整车方案设计涉及到的因素很多，主要应满足以下几个方面的要求：( 1 ) 适应性要求。汽车整车方案设计应考虑到待设计汽车可能面临的各种使用条件和工况，如：路况、气候天气、燃油供给系统、维修条件等。因此汽车整车方案设计必须仔细调查各种使用条件，确定合理方案，确保汽车具有良好的适应性、经济性和可靠性【2 9 】。( 2 ) “三化要求。要达到“产品系列化、零部件通用化、零部件设计标准化”三化要求，汽车的产量、品种形式等需要作出相应调整，尽可能实现“三化 。从而，简化生产、提高功效和改进产品质量、降低成本。( 3 ) 经济性要求。因汽车在使用过程中要消耗大量燃料、轮胎、润滑油和相关配件等，因此，需要在汽车整车方案设计中考虑提高汽车的燃油经济性、动力性、减轻汽车整车质量，减少维修和保养得工作量等。( 4 ) 社会和生活要求。汽车整车方案设计中必须考虑到顾客的爱好，款式，流行趋势等社会因素；同时，还需要考虑环保条件，人机工程要求，行车安全等生活方面的要求。总之，汽车整车方案设计满足各种不同的要求，适合采用系统工程，人工智能领域知识，决策支持系统来全面衡量、统筹兼顾。2 3 汽车整车方案设计的内容汽车整车方案设计是将市场需求、领导决策等发展炒年糕产品设计的主导思想，使其成为以技术语言对产品进行定义和表述。在该阶段，设计者对汽车整车方案设计开发目标的若干知识理论和主导思想加以酝酿和发展，形成对待开发车型的总体设计概念和构思，汽车整车方案设计先是粗略的、模糊的，然后逐渐具体，逐渐明确。主要包括以下内容，如图2 3 所示。( 1 ) 产品的综合技术参数和相关指标。( 2 ) 构成汽车的主要总成类型，技术参数和指标。( 3 ) 总成与总成之间构成汽车的方式。1 3武汉理工大学硕士学位论文图2 - 3 汽车整车方案设计内容1 4坡度、比纵向通过制动点汽车整车方案设计武汉理工大学硕士学位论文汽车整车方案设计过程是一个可逆过程，解答方案不是单一的，在方案设计阶段，应对各种方案进行评价，研究对比，选出其中的最优方案。2 4 汽车整车方案设计过程分析2 4 1 方案设计模型q u i n t 概述图2 4 方案设计q u i n t 模型q u i n t 是一种方案设计模型，其英文含义为“五件一套，意思是方案设计五个阶段进行 3 0 l ，如图所示(