一種基于復雜網(wǎng)絡的復雜產品生態(tài)網(wǎng)絡建模方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于復雜網(wǎng)絡的復雜產品生態(tài)網(wǎng)絡建模方法，包括以下步驟：1)采用體素構造法建立復雜產品的復雜網(wǎng)絡；2)以產品個體為對象，結合產品個體的環(huán)境信息，建立產品元；3)以實現(xiàn)相同功能為分類標準，將一個或多個相同結構特性的產品個體構成一產品種群，結合產品種群的環(huán)境信息，建立產品簇；4)以實現(xiàn)特定功能為分類標準，將一個或多個產品種群構成一產品群落，結合產品群落的環(huán)境信息，建立產品體；5)基于復雜網(wǎng)絡建立復雜產品的產品生態(tài)網(wǎng)絡模型。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明簡化傳統(tǒng)產品模型設計的復雜度，建立產品生態(tài)網(wǎng)絡模型來反應產品元在物質、能量、信息的交換和傳遞，達到智能設計與進化的目的。
【專利說明】
一種基于復雜網(wǎng)絡的復雜產品生態(tài)網(wǎng)絡建模方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及計算機應用、工程設計開發(fā)和產品智能設計領域，尤其是涉及一種基 于復雜網(wǎng)絡的復雜產品生態(tài)網(wǎng)絡建模方法。
【背景技術】
[0002] 在生態(tài)學中，生態(tài)系統(tǒng)指的是生物及其所在環(huán)境兩者相互作用所產生的一個相對 穩(wěn)定的系統(tǒng)。生態(tài)系統(tǒng)可通過內部自組織過程適應外界環(huán)境變化的復雜系統(tǒng)，具有自組織、 自適應的特點。種群是生態(tài)系統(tǒng)中重要的組成部分，對于任何一個種群，每一個個體的生存 都依賴于外界環(huán)境，種群中的每一個個體都在與其他個體(同一種群的，或者其他種群的）， 以及無機環(huán)境發(fā)生著能量，物質的交換或者傳遞。
[0003] 生態(tài)系統(tǒng)中種群及種群間的能量傳遞是以食物鏈的方式進行的。所謂食物鏈是指 生態(tài)系統(tǒng)內不同物種之間在營養(yǎng)關系中形成的一環(huán)套一環(huán)的鏈條式關系，物質和能量沿著 食物鏈，一級一級地從低級物種轉移到高級物種，沿著食物鏈種群個體的數(shù)量逐級減少，種 群密度逐級降低，繁殖速率逐級減慢。這樣以生物種群的個體數(shù)量比較形成了一個底部寬 上部窄的生態(tài)金字塔。
[0004] 復雜產品（例如:發(fā)動機）的進化設計涉及多個零部件，是一個復雜的多變量優(yōu)化 問題，如果采用傳統(tǒng)的遺傳算法，會出現(xiàn)編碼冗長，收斂速度慢，優(yōu)化效果差的問題。通過對 比生態(tài)系統(tǒng)，可發(fā)現(xiàn)復雜產品和生態(tài)系統(tǒng)在功能、結構上具有相似性:它們都由多種個體組 成，具有復雜的內部組織結構，系統(tǒng)呈現(xiàn)較高的復雜度;在一定的情況下，系統(tǒng)具有穩(wěn)定的 組織結構，處于能量平衡的狀態(tài);系統(tǒng)通過個體之間的物質交換、能量流動和信息傳遞完成 一定的功能。
[0005] 在于復雜產品進化設計上，與生態(tài)系統(tǒng)的進化過程也具有相似性:種群個體的變 化包括出生、死亡、迀入、迀出、進化等周期，產品個體同時具有產生、進化、淘汰消失的生命 周期；生物種群與環(huán)境、生物種群間的食物鏈、能量流動關系同樣存在于復雜產品中。產品 與環(huán)境進行物質、能量和信息交換從而適應環(huán)境。
[0006] 在復雜產品中，通過對產品零件的抽取及分解，由體素構造法可定義所有的產品 零件，而整個復雜產品是由各個零件組成的復雜網(wǎng)絡。復雜網(wǎng)絡是由節(jié)點和邊組成的二維 圖。從圖論上看，網(wǎng)絡G=(V，E)是指由一個點集V(G)和一個邊集E(G)組成的一個圖，并且E (G)中的每條邊有V(G)中的一對點(u，v)與之對應;從統(tǒng)計物理上看，網(wǎng)絡是一個包含了大 量個體以及個體之間相互作用的系統(tǒng)，是把某種現(xiàn)象或某種關系抽象為個體以及個體之間 相互作用而形成的用來描述這種現(xiàn)象或關系的圖。
[0007] 復雜網(wǎng)絡的復雜性來源于三個方面：（1)節(jié)點復雜性。即僅由節(jié)點之間的非線性相 互作用導致的復雜的系統(tǒng)行為，如分岔和混沌等；（2)結構復雜性。組成復雜系統(tǒng)的元素之 間的結構關系既非規(guī)則，也非隨機，而是介于兩者之間，而且這種結構關系還可以隨時間變 化，并影響系統(tǒng)整體所顯現(xiàn)的功能行為，是系統(tǒng)復雜性的決定性因素之一；（3)各種復雜性 因素的相互影響。
[0008] 復雜網(wǎng)絡G=(V，E)是指由一個點集V(G)和一個邊集E(G)組成的一個圖，并且E(G) 中的每條邊有V(G)中的一對點(u，v)與之對應，G=(V，E)中，V是頂點的有窮非空集合，E是V 中頂點偶對(稱為邊）的有窮集。通常，也將圖G的頂點集和邊集分別記為V(G)和E(G) 4(G) 可以是空集。若E(G)為空，則圖G只有頂點而沒有邊。對于一個有9個零件的產品，其網(wǎng)絡圖 表示圖1所示，圖1中A-J為頂點集V，R()為邊集E。
[0009] 因此，如何將生態(tài)系統(tǒng)的概念融入復雜網(wǎng)絡以及復雜產品進化的設計中，實現(xiàn)基 于復雜產品生態(tài)網(wǎng)絡的產品設計，具有重要意義。
【發(fā)明內容】
[0010] 本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術存在的缺陷而提供一種基于復雜網(wǎng)絡 的復雜產品生態(tài)網(wǎng)絡建模方法，簡化傳統(tǒng)產品模型設計的復雜度，建立產品生態(tài)網(wǎng)絡模型 來反應產品元在物質、能量、信息的交換和傳遞，達到智能設計與進化的目的。
[0011] 本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現(xiàn)：
[0012 ] -種基于復雜網(wǎng)絡的復雜產品生態(tài)網(wǎng)絡建模方法包括以下步驟：
[0013] 1)采用體素構造(CSG:Constructive Solid Geometry)法建立復雜產品的復雜網(wǎng) 絡，所述復雜網(wǎng)絡包括產品個體的頂點集和產品個體之間的邊集；
[0014] 2)以產品個體為對象，結合產品個體的環(huán)境信息，建立產品元；
[0015] 3)以實現(xiàn)相同功能為分類標準，將一個或多個相同結構特性的產品個體構成一產 品種群，結合產品種群的環(huán)境信息，建立產品簇；
[0016] 4)以實現(xiàn)特定功能為分類標準，將一個或多個產品種群構成一產品群落，結合產 品群落的環(huán)境信息，建立產品體；
[0017] 5)基于復雜網(wǎng)絡建立復雜產品的產品生態(tài)網(wǎng)絡模型，所述產品生態(tài)網(wǎng)絡模型包括 廣品體、廣品兀和廣品兀之間的邊集。
[0018] 所述產品個體之間的邊集與產品元之間的邊集相等，產品個體之間的邊集表示產 品個體之間的裝配關系。
[0019] 所述產品元的表達形式如下：
[0020] PU={pUi,Sunit,Funit,PEunit}
[0021 ]其中，pui表示產品個體，Simit表示產品個體的結構特性信息，F(xiàn)imit表示產品個體的 功能信息，PEunit表示產品個體所處的環(huán)境信息。
[0022] 所述產品簇的表達形式如下：
[0023] PG={pgi,NPg,Fg, Ugpu,PEg}
[0024]其中，pgi表示產品種群，NPgN表示產品種群中產品個體的數(shù)量，F(xiàn)g表示N PgN個產品 個體組成的產品種群所具有的功能，UgPU表示產品種群中的產品個體集合，PEg表示產品種 群所處的環(huán)境信息。
[0025]所述產品體的表達形式如下：
[0026] PC= {pci,Npc,Fc, Ucpg, Ucpu,PEc}
[0027] 其中，pci表示產品群落，NP。表示產品群落中產品個體和產品種群的集合個數(shù)，F(xiàn)。 表示產品群落的具體功能，U cPg表示組成產品群落的產品種群的集合，UcPu表示的是組成 產品群落的產品個體的集合，PE。表示產品群落所處的環(huán)境信息。
[0028] 所述環(huán)境信息的表達形式如下：
[0029] PE= {pei,tpe,Ne, Uein, Ueout}
[0030] 其中，pei表示產品環(huán)境針對的對象，tpe表示與產品環(huán)境對應的時刻，Ne表示環(huán)境 中組成因子的數(shù)目，U ein表示環(huán)境的內部影響因子，Ue〇ut表示環(huán)境的外部影響因子。
[0031] 所述環(huán)境的內部影響因子和環(huán)境的外部影響因子均包括組成因子、組成因子的影 響權重和組成因子與對象間的影響關系的集合。
[0032] 所述步驟5)之后還包括步驟6)，具體為:根據(jù)產品設計需求得到與復雜產品對應 的改變后的環(huán)境信息，基于產品生態(tài)網(wǎng)絡模型依次得到與產品體、產品簇、產品元對應的改 變后的環(huán)境信息，根據(jù)產品體、產品簇、產品元對應的改變后的環(huán)境信息進行產品體、產品 簇、產品元的設計。
[0033] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：
[0034] 1)為了降低傳統(tǒng)產品模型設計的復雜度，本發(fā)明在復雜產品建模中引入生態(tài)系統(tǒng) 理論，應用復雜網(wǎng)絡模型創(chuàng)建產品生態(tài)網(wǎng)絡模型，來反應產品元在物質、能量、信息的交換 和傳遞，達到智能設計與進化的目的。
[0035] 2)本發(fā)明將復雜產品劃分為包含環(huán)境信息的產品元、產品簇和產品體，環(huán)境信息 為周圍一切非產品元素的總和，包括直接或間接影響產品群體生存的各種因素，產品設計 時，通過產品體的環(huán)境信息可知產品簇的改變的環(huán)境信息，根據(jù)產品簇的改變的環(huán)境信息 可知產品元的改變的環(huán)境信息，進而可以對最小單元產品元進行有針對性的設計，避免人 為設計的主觀因素，實現(xiàn)系統(tǒng)化、模塊化的設計。
[0036] 3)本發(fā)明將環(huán)境因子劃分為內部影響因子和外部影響因子，對應直接或間接影響 產品群體生存的各種因素，可實現(xiàn)兩路的產品設計方案:改變外部影響因子的產品設計方 案和改變內部影響因子的產品設計方案，適用于不同設計需求，實用性強，應用范圍廣。
【附圖說明】
[0037]圖1為復雜網(wǎng)不意圖；
[0038] 圖2為本發(fā)明方法的流程圖；
[0039] 圖3為實施例中活塞、連桿、曲軸之間連接關系的分解圖；
[0040] 圖4為實施例中采用本發(fā)明方法獲得的產品生態(tài)網(wǎng)絡模型示意圖。
【具體實施方式】
[0041] 下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。本實施例以本發(fā)明技術方案 為前提進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于 下述的實施例。
[0042] 如圖2所示，一種基于復雜網(wǎng)絡的復雜產品生態(tài)網(wǎng)絡建模方法包括以下步驟：
[0043] 1)在復雜產品中，每個復雜產品通過抽取盒形體分解都可以得出三圍產品的三圍 體素，體素代表了復雜產品中不可分割的零件。在產品生態(tài)網(wǎng)絡中，采用體素構造法，定義 產品原子，建立復雜產品的復雜網(wǎng)絡，復雜網(wǎng)絡包括產品個體的頂點集和產品個體之間的 邊集，產品個體之間的邊集與產品元之間的邊集相等，產品個體之間的邊集表示產品個體 之間的裝配關系，為建立智能化產品能量流動的產品生態(tài)網(wǎng)絡模型做準備。
[0044] 2)產品個體是組成產品的最小獨立單位，包括個體的結構、功能、食物鏈的個體信 息，因此，以產品個體為對象，結合產品個體的環(huán)境信息，建立產品元(Product Unit，PU)， 產品元即"產品零件"：組成產品不可分解和拆卸的獨立單位。
[0045] 產品元的表達形式如下：
[0046] PU={pUi,Sunit,Funit,PEunit}
[0047]其中，pui表示產品個體，Simit表示產品個體的結構特性等信息，F(xiàn)imit表示產品個體 的功能信息，PEunit表示產品個體所處的環(huán)境信息，包括個體的食物鏈信息、能量流動信息 等。如一個螺絲可作為一個產品個體。
[0048] 3)產品種群中產品個體的功能、結構特性須完全相同，產品種群是組成產品的基 本單位，包括個體數(shù)量、個體簇、種群環(huán)境等信息，因此，以實現(xiàn)相同功能為分類標準，將一 個或多個相同結構特性的產品個體構成一產品種群，結合產品種群的環(huán)境信息，建立產品 簇(Product Group，PG)，產品簇即"產品零件簇"：產品或產品部件中具有相同功能結構等 特性的產品個體的集合。
[0049] 產品簇的表達形式如下：
[0050] PG={pgi,NPg,Fg, Ugpu,PEg}
[0051 ]其中，pgi表示產品種群，NPgN表示產品種群中產品個體的數(shù)量，F(xiàn)g表示NPgN個產品 個體組成的產品種群所具有的功能，UgPU表示產品種群中的產品個體集合，PEg表示產品種 群所處的環(huán)境信息。如產品或部件中，所有實現(xiàn)同一功能的螺絲可組成一個產品種群。 [0052] 4)產品群落可以為一個產品個體，可以是一個或多個產品種群集合，所有的產品 群落原子組成實現(xiàn)特定功能，因此，以實現(xiàn)特定功能（用途)為分類標準，將一個或多個產品 種群構成一產品群落，結合產品群落的環(huán)境信息，建立產品體(Product Community，PC)，產 品體即"產品部件"：產品系統(tǒng)中實現(xiàn)某個某功能的產品零件的集合。
[0053] 產品體的表達形式如下：
[0054] PC= {pci,Npc,Fc, Ucpg, Ucpu,PEc}
[0055] 其中，pci表示產品群落，Npc表示產品群落中產品個體和產品種群的集合個數(shù)，F(xiàn)c 表示產品群落的具體功能，UcPg表示組成產品群落的產品種群的集合，UcPu表示的是組成 產品群落的產品個體的集合，PE。表示產品群落所處的環(huán)境信息。如鍵盤有多個按鍵個體組 成，其特定功能為了實現(xiàn)計算機的輸入動作，鍵盤可作為計算機產品的產品群落。
[0056] 產品環(huán)境指某一特定產品個體或產品種群周圍一切影響因素的總和，包括直接或 間接影響產品群體生存的各種因素。對產品生態(tài)網(wǎng)絡而言，產品環(huán)境指周圍一切非產品元 素的總和，包括直接或間接影響產品群體生存的各種因素。環(huán)境為產品元素提供物質及能 量，即產品的設計更改又環(huán)境來決定。
[0057] 環(huán)境針對于某特定對象，隨時間變化而變化。因此，上述中PEunit、PEg、PEc對應的環(huán) 境信息基本表達形式如下：
[0058] PE= {pei,tpe,Ne, Uein, Ue〇ut}
[0059] 其中，pei表示產品環(huán)境針對的對象，tpe5表示與產品環(huán)境對應的時刻，隊表示環(huán)境 中組成因子的數(shù)目，Uein表示環(huán)境的內部影響因子，Ue〇ut表示環(huán)境的外部影響因子。影響 因子指與對象直接相關的個體、種群、群落或其他環(huán)境物質因素，則環(huán)境的內部影響因子和 環(huán)境的外部影響因子均包括組成因子、組成因子的影響權重和組成因子與對象間的影響關 系的集合，組成因子對對象影響越大，組成因子的影響權重越大。
[0060] 5)基于復雜網(wǎng)絡建立復雜產品的產品生態(tài)網(wǎng)絡模型，產品生態(tài)網(wǎng)絡模型包括產品 體、產品元和產品元之間的邊集，可知生態(tài)系統(tǒng)包括產品因素及其環(huán)境因素，產品因素包括 產品個體、產品種群、產品群落、產品系統(tǒng)等，環(huán)境因素包括環(huán)境、產品食物鏈等，所有因素 生成了產品生態(tài)網(wǎng)絡，即在一定的空間范圍內，不同產品組成元素之間通過物質、能量、信 息的交換和傳遞相互影響、相互選擇，對外實現(xiàn)一定的功能的完整功能單位稱為產品生態(tài) 網(wǎng)絡，對應的產品生態(tài)網(wǎng)絡模型本質上是由產品元通過物質、能量、信息的交換和傳遞組成 的復雜網(wǎng)絡。
[0061] 6)根據(jù)產品設計需求得到與復雜產品對應的改變后的環(huán)境信息，基于產品生態(tài)網(wǎng) 絡模型依次得到與產品體、產品簇、產品元對應的改變后的環(huán)境信息，根據(jù)產品體、產品簇、 產品元對應的改變后的環(huán)境信息進行產品體、產品簇、產品元的設計。
[0062]綜上，本發(fā)明在復雜產品建模中引入生態(tài)系統(tǒng)理論，應用復雜網(wǎng)絡模型創(chuàng)建產品 生態(tài)網(wǎng)絡模型，由產品生態(tài)網(wǎng)絡模型呈現(xiàn)動態(tài)傳播鏈式網(wǎng)絡，實現(xiàn)智能化產品設計。
[0063] 產品生態(tài)網(wǎng)絡是由產品體和環(huán)境組成，其中產品體是廣義上產品簇的集合，產品 簇是產品元即產品零件的集合，不同的產品元之間通過物質信息的交換和傳遞，相互影響、 相互關聯(lián)。如汽車發(fā)動機是一個完整的產品生態(tài)網(wǎng)絡，以發(fā)動機中活塞-連桿-曲軸等三個 結構舉例，構建起發(fā)動機生態(tài)網(wǎng)絡，其中，活塞_連桿-曲軸三個結構之間的連接關系如圖3 所示。
[0064] 采用本發(fā)明方法建立產品生態(tài)網(wǎng)絡，在產品體:連桿中，產品簇包括連桿、連桿螺 栓、連桿軸瓦。每一個連桿螺栓或連桿軸瓦都是一個產品體，整個發(fā)動機生態(tài)網(wǎng)絡的組成如 表1所示。
[0065] 表1發(fā)動機生態(tài)網(wǎng)絡組成結構表
[0067]根據(jù)表1的信息，可以得到活塞-連桿-曲軸構成的發(fā)動機生態(tài)系統(tǒng)，如圖4所示。圖 4中，11表示活塞環(huán)，12表示活塞，13表示活塞銷，21表示連桿，22和25表示連桿軸瓦，23表示 連桿蓋，24和26表示連桿螺栓，31和33表示連桿軸頸，32和35表示平衡塊，34表示曲柄。當需 要改變發(fā)動機生態(tài)系統(tǒng)中驅動力時，根據(jù)產品生態(tài)網(wǎng)絡可以設計活塞的體積大小等。
【主權項】
1. 一種基于復雜網(wǎng)絡的復雜產品生態(tài)網(wǎng)絡建模方法，其特征在于，包括以下步驟： 1) 采用體素構造法建立復雜產品的復雜網(wǎng)絡，所述復雜網(wǎng)絡包括產品個體的頂點集和 產品個體之間的邊集； 2) 以產品個體為對象，結合產品個體的環(huán)境信息，建立產品元； 3) 以實現(xiàn)相同功能為分類標準，將一個或多個相同結構特性的產品個體構成一產品種 群，結合產品種群的環(huán)境信息，建立產品簇； 4) 以實現(xiàn)特定功能為分類標準，將一個或多個產品種群構成一產品群落，結合產品群 落的環(huán)境信息，建立產品體； 5) 基于復雜網(wǎng)絡建立復雜產品的產品生態(tài)網(wǎng)絡模型，所述產品生態(tài)網(wǎng)絡模型包括產品 體、產品元和產品元之間的邊集。2. 根據(jù)權利要求1所述的一種基于復雜網(wǎng)絡的復雜產品生態(tài)網(wǎng)絡建模方法，其特征在 于，所述產品個體之間的邊集與產品元之間的邊集相等，產品個體之間的邊集表示產品個 體之間的裝配關系。3. 根據(jù)權利要求1所述的一種基于復雜網(wǎng)絡的復雜產品生態(tài)網(wǎng)絡建模方法，其特征在 于，所述產品元的表達形式如下： PU - { pili , Sunit ,Funit, PEunit} 其中，PUi表示產品個體，Simit表示產品個體的結構特性信息，F(xiàn)imit表示產品個體的功能 信息，PEunit表示產品個體所處的環(huán)境信息。4. 根據(jù)權利要求1所述的一種基于復雜網(wǎng)絡的復雜產品生態(tài)網(wǎng)絡建模方法，其特征在 于，所述產品簇的表達形式如下： PG= {pgi,NPg,Fg, Ugpu,PEg} 其中，Pgi表示產品種群，NpgN表示產品種群中產品個體的數(shù)量，F(xiàn)g表示NpgN個產品個體 組成的產品種群所具有的功能，Ugpu表示產品種群中的產品個體集合，PEg表示產品種群所 處的環(huán)境信息。5. 根據(jù)權利要求1所述的一種基于復雜網(wǎng)絡的復雜產品生態(tài)網(wǎng)絡建模方法，其特征在 于，所述產品體的表達形式如下： PC= {pci,Npc,Fc, Ucpg, Ucpu,PEc} 其中，pci表示產品群落，NP。表示產品群落中產品個體和產品種群的集合個數(shù)，F(xiàn)。表示產 品群落的具體功能，Ucpg表示組成產品群落的產品種群的集合，UcPu表示的是組成產品群 落的產品個體的集合，PE。表示產品群落所處的環(huán)境信息。6. 根據(jù)權利要求1所述的一種基于復雜網(wǎng)絡的復雜產品生態(tài)網(wǎng)絡建模方法，其特征在 于，所述環(huán)境信息的表達形式如下： PE= {pei,tpe,Ne, Uein, Ueout} 其中，Pei表示產品環(huán)境針對的對象，tpe3表示與產品環(huán)境對應的時刻，Ne3表示環(huán)境中組成 因子的數(shù)目，Udn表示環(huán)境的內部影響因子，Ue30Ut表示環(huán)境的外部影響因子。7. 根據(jù)權利要求6所述的一種基于復雜網(wǎng)絡的復雜產品生態(tài)網(wǎng)絡建模方法，其特征在 于，所述環(huán)境的內部影響因子和環(huán)境的外部影響因子均包括組成因子、組成因子的影響權 重和組成因子與對象間的影響關系的集合。8. 根據(jù)權利要求1所述的一種基于復雜網(wǎng)絡的復雜產品生態(tài)網(wǎng)絡建模方法，其特征在 于，所述步驟5)之后還包括步驟6)，具體為:根據(jù)產品設計需求得到與復雜產品對應的改變 后的環(huán)境信息，基于產品生態(tài)網(wǎng)絡模型依次得到與產品體、產品簇、產品元對應的改變后的 環(huán)境信息，根據(jù)產品體、產品簇、產品元對應的改變后的環(huán)境信息進行產品體、產品簇、產品 元的設計。
【文檔編號】G06F17/50GK105893658SQ201610182456
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年3月28日
【發(fā)明人】郝泳濤, 張偉
【申請人】同濟大學