基于行為流功能與行為耦合關系的建模方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于行為流功能與行為耦合關系的建模方法。利用功能和行為之間的耦合性來實現(xiàn)行為流的產品建模，形成建模的行為節(jié)點序列。本發(fā)明為了實現(xiàn)產品建模的創(chuàng)新，以及設計的自動化，提出了行為流的基本概念，以及依賴于該概念的功能與行為耦合關系求解，在求解的過程中實現(xiàn)了產品建模，并使用遺傳算法對產品建模的結果進行擇優(yōu)，以便選取最優(yōu)解；通過發(fā)動機模型的實例創(chuàng)建表明，該方法可以實現(xiàn)產品概念模型的自動化設計以及創(chuàng)新。
【專利說明】基于行為流功能與行為耦合關系的建模方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及產品建模領域，特別是涉及一種基于行為流功能與行為耦合關系的建模方法。
【背景技術】
[0002]隨著科學技術和生產技術的飛速發(fā)展，每個企業(yè)都面臨著持續(xù)多變的和不可預測的全球化市場競爭，機械制造業(yè)亦是如此，然而如何在激烈的競爭中得以生存，最終還是歸結到產品的創(chuàng)新。由于概念設計在產品設計的第一階段，決定著產品的功能作用以及實現(xiàn)功能的結構載體。有研究表明，產品價值的70%是由概念設計階段決定的，由此可見產品的概念設計是實現(xiàn)產品創(chuàng)新的關鍵環(huán)節(jié)，但并不表明概念設計就一定能夠產生創(chuàng)新性的設計方案[3]。創(chuàng)新的本質在于用非常規(guī)的方法獲得具有新穎性的設計方案，為了得到具有新穎性的設計必須從不同的思維角度出發(fā)得到同一問題的一系列解。
[0003]功能-行為-結構(Function-Behavior-Structure)模型最早是由Qian 和 Gero所提出的，且對該模型進行了較為系統(tǒng)的研究，并給出了相應的數(shù)學模型，以及各映射空間之間的關系描述，如圖1所示。FBS這種設計框架結構的合理性得到眾多研究者的認可，但是通過這種框架結構實現(xiàn)產品建模的創(chuàng)新理論卻不是很多。因此在面對激烈的市場競爭中，如何能夠在短時間內快速完成產品的升級以及研制能力變成了一家企業(yè)成功的首要任務。然而研究表明，在新產品的開發(fā)過程中40%是重用過去的部件，40%是對已有部件的修改，20%為全新的設計。

【發(fā)明內容】

[0004]鑒于以上所述，本發(fā)明的目的在于提供一種基于行為流功能與行為耦合關系的建模方法，用于實現(xiàn)產品概念模型的自動化設計以及創(chuàng)新。
[0005]為實現(xiàn)上述目的及其他相關目的，本發(fā)明提供一種基于行為流功能與行為耦合關系的建模方法，利用功能和行為之間的耦合性來實現(xiàn)行為流的產品建模，形成建模的行為節(jié)點序列。
[0006]優(yōu)選地，利用功能和行為之間的耦合性來實現(xiàn)行為流的產品建模具體包括以下步驟:
[0007]步驟1:從功能庫中查找是否存在現(xiàn)成的行為可以實現(xiàn)此功能，如果沒有則到達第二步驟，如果有則進行步驟三，并且將該子功能記入到產品建模的行為路徑中。
[0008]步驟2:將功能進行分解，一直分解到每個子功能在功能庫中都存在，返回步驟I。
[0009]步驟3:根據(jù)輸入的行為以及相關的約束條件從行為庫中選擇對應的行為，根據(jù)此行為輸出相應的結構，并將該結構記入到產品建模的行為路徑中。
[0010]步驟4:根據(jù)結構以及約束條件從結構庫中查詢出結構表，根據(jù)結構表判斷，該結構是否為目標結構單元，如果是則直接退出，并且將相應的結構計入到產品建模的行為路徑中；否則輸出該結構對應的功能，進入步驟I依次循環(huán)。[0011]優(yōu)選地，還包括以下步驟:使用遺傳算法，利用所述行為節(jié)點序列對行為流進行重組擇優(yōu)，得到最優(yōu)的行為流建模路徑。
[0012]優(yōu)選地，使用遺傳算法，利用所述行為節(jié)點序列對行為流進行重組擇優(yōu)，得到最優(yōu)的行為流建模路徑具體包括以下步驟:
[0013]I)對行為流進行二進制的編碼，從而獲得行為矩陣的基因編碼；
[0014]2)依次執(zhí)行選擇、交叉、變異的步驟；
[0015]3)確定算法評價函數(shù)及終止條件；得到的行為流序列即為最優(yōu)解。
[0016]優(yōu)選地，所述產品為發(fā)動機。
[0017]優(yōu)選地，所述發(fā)動機的總功能分為以下四個子功能組合完成，分別為:吸氣過程、壓縮過程、做功過程以及排氣過程。
[0018]如上所述，本發(fā)明在基于FBS模型的基礎上，提出了行為流建模，建立了功能模型，行為模型，使用知識模板為載體實現(xiàn)功能到行為的映射，以便達到快速建模的目的并來實現(xiàn)產品概念設計的初步創(chuàng)新。
[0019]由于進化設計借助自然智能的高速穩(wěn)健的優(yōu)化方法，通過設計模式之間的演化過程，體現(xiàn)出形象思維和創(chuàng)造性思維的特征，并獲得設計問題的最優(yōu)解。與基于純粹邏輯推理方法的設計過程不同，進化設計過程中通過進化個體的隨機組合獲得試解，并通過并行大規(guī)模的演化搜索整個設計空間來獲得最優(yōu)解。遺傳算法在設計過程中的應用不僅加快了設計速度，而且生成了很多創(chuàng)意性的產品，因此本發(fā)明使用了遺傳算法對行為流建模過程中的行為路徑進行擇優(yōu)，以選取最優(yōu)解。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1顯示為本發(fā)明產品建模的初步模型示意圖。
[0021]圖2顯示為本發(fā)明行為描述與名稱的對應關系。
[0022]圖3-6顯示為本發(fā)明具體實施例中四個沖程經(jīng)過計算后的結果圖。
[0023]【具體實施方式】
[0024]以下通過特定的具體實例說明本發(fā)明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的【具體實施方式】加以實施或應用，本說明書中的各項細節(jié)也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進行各種修飾或改變。
[0025]請參閱圖2至6。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復雜。
[0026]行為流產品建模
[0027]在產品建模設計過程中，產品的需求會直接抽象為需要實現(xiàn)的功能，而行為的略微改變可以直接造成功能性的改變，由此可見行為在整個產品建模中起著非常重要的作用。本發(fā)明主要從行為流的角度來實現(xiàn)產品的建模，結合行為流的理念，一方面可以自上而下的對行為進行分解，通過行為功能的映射來實現(xiàn)產品的功能，另一方面可以對一些行為元進行組合分析重新設計，實現(xiàn)產品的創(chuàng)新。這兩種辦法可以同時實施，減少設計建模過程中的重復性勞動，從而提高效率縮短設計時間。
[0028]行為流建模的基本概念
[0029]在進一步闡述行為流建模之前，首先對文中所設計的基本概念給出解釋，給予定義。行為
[0030]行為(Behavior)是構成產品實現(xiàn)方案的基本運動原理，表現(xiàn)為各個原理構建的基本運動行為。原理及其行為是功能到物理結構的橋梁，功能與結構之間不存在直接的映射，需要通過行為來起作用。
[0031]由于行為是一個抽象的概念，表象為物體的運動。而功能可以看作成為能量流的輸入到能量流的輸出，那么作為功能的完成所消耗的能量即為作用于該結構的力F所做的功，又因為行為的運動軌跡由加速度a所決定，由牛頓的第二定律可得F=ma，其中m為結構的質量，a為加速度。由于質量為靜態(tài)的，不可變的故行為運動軌跡可由作用于其結構所受的力決定，因此我們在此使用力F作為行為的具體表現(xiàn)形式。
[0032]又由于行為存在簡單行為以及復雜行為,在本發(fā)明中我們將行為分為行為元與復雜行為。它們的相關定義如下:
[0033]行為元(Behavior Unit)是指結構在某個時刻受到力F的作用沿三維空間運動軌跡所表示的行為稱之為行為元。
[0034]復雜行為(Complicated Behavior)是指可由一系列行為元由于時間或者空間的先后順序所進行的串聯(lián)或并聯(lián)等組合成的行為。
[0035]則我們可將任意一個行為B (t)可用下面的數(shù)學表達式所表示:
[0036]
【權利要求】
1.一種基于行為流功能與行為耦合關系的建模方法，其特征在于，該方法至少包括以下步驟: 利用功能和行為之間的耦合性來實現(xiàn)行為流的產品建模，形成建模的行為節(jié)點序列。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于行為流功能與行為耦合關系的建模方法，其特征在于:利用功能和行為之間的耦合性來實現(xiàn)行為流的產品建模具體包括以下步驟: 步驟1:從功能庫中查找是否存在現(xiàn)成的行為可以實現(xiàn)此功能，如果沒有則到達第二步驟，如果有則進行步驟三，并且將該子功能記入到產品建模的行為路徑中。 步驟2:將功能進行分解，一直分解到每個子功能在功能庫中都存在，返回步驟I。 步驟3:根據(jù)輸入的行為以及相關的約束條件從行為庫中選擇對應的行為，根據(jù)此行為輸出相應的結構，并將該結構記入到產品建模的行為路徑中。 步驟4:根據(jù)結構以及約束條件從結構庫中查詢出結構表，根據(jù)結構表判斷，該結構是否為目標結構單元，如果是則直接退出，并且將相應的結構計入到產品建模的行為路徑中；否則輸出該結構對應的功能，進入步驟I依次循環(huán)。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的基于行為流功能與行為耦合關系的建模方法，其特征在于，還包括以下步驟:使用遺傳算法，利用所述行為節(jié)點序列對行為流進行重組擇優(yōu)，得到最優(yōu)的行為流建模路徑。
4.根據(jù)權利要求3所述的基于行為流功能與行為耦合關系的建模方法，其特征在于，使用遺傳算法，利用所述行為節(jié)點序列對行為流進行重組擇優(yōu)，得到最優(yōu)的行為流建模路徑具體包括以下步驟: 1)對行為流進行二進制的編碼，從而獲得行為矩陣的基因編碼； 2)依次執(zhí)行選擇、交叉、變異的步驟； 3)確定算法評價函數(shù)及終止條件；得到的行為流序列即為最優(yōu)解。
5.根據(jù)權利要求1所述的基于行為流功能與行為耦合關系的建模方法，其特征在于，所述產品為發(fā)動機。
6.根據(jù)權利要求5所述的基于行為流功能與行為耦合關系的建模方法，其特征在于，所述發(fā)動機的總功能分為以下四個子功能組合完成，分別為:吸氣過程、壓縮過程、做功過程以及排氣過程。
【文檔編號】G06N3/12GK103729492SQ201310471429
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年10月10日 優(yōu)先權日:2013年10月10日
【發(fā)明者】郝泳濤, 樓狄明, 王力生 申請人:同濟大學