多层—体产品信息建模理论及实现技术研究

摘要

产品信息模型是产品数据的载体，在产品设计、分析和制造过程中起着不可替代的作用。国内外高度重视产品信息建模理论和实现技术的研究工作，相关理论与技术的探讨尽管有一定进展，仍然不能满足复杂装备数字化设计的需求。主要存在两方面亟待解决的问题：①采用分散的系统、面向单领域的设计方法、分类建模的方式无法保证产品模型数据的一致性和表征数据关联性，不能满足需要完整、及时信息支持，以及高精度、高可靠性软件系统支持的复杂装备全生命周期数字化技术需求；②面向异构软件系统功能集成的架构技术无法解决满足复杂产品研发需要的软件系统一致性问题，致使产品信息集成、设计进程协同和数据共享、知识积累和重用、不同层级模型迭代精化等都难以形成有效的解决方案。在实际应用领域突出地表现为产品信息表述不完备、集成无中心、迭代无对象、重用无载体。
　　 上述产品信息建模理论和软件系统架构的共性问题，与复杂产品设计所涉及的专业领域复杂科学问题相互作用，构成了开展新型数字化设计软件技术和先进产品设计方法深层次研究都必须面临的严峻挑战。因此本论文在国家重点基础研究发展计划(973计划)“现代大型应用软件的可信性研究”(2010CB328000)的资助下，从研究产品信息建模理论入手，提出了以信息集成与重用为目标导向和以问题域面向模式为特征的多层-体产品信息建模原理，并基于该原理构建了由基本体、检索体、控制体和智能体组成的“一元四体”产品信息模型(AMFB模型)，并对其实现技术进行了深入研究，研制了基于AMFB模型的产品数字化设计软件平台，并将研究成果应用于解决典型工程问题中；综合运用了耗散结构和熵变理论，提出了基于时空信息差和系统结构序的产品数字化系统演化特性定量研究方法，从系统科学的角度对产品数字化系统的演化特性进行了研究。本文的主要创新点包括：
　　 (1)提出了以信息集成与重用为目标导向和以问题域面向模式为特征的多层-体产品信息建模思想。该思想是根据产品模型信息的多层次需求，围绕产品模型是信息载体的本质特点，旨在研究能够满足产品全生命周期设计信息集成的产品信息模型构造方法，从而适应目前复杂产品全生命周期设计中具有流程动态多变、数据类型复杂、多学科参数耦合等特点的数字化设计环境。深入研究了满足多层-体产品信息建模思想的“一元四体”产品信息模型(简称AMFB模型)及其构建方法。该模型通过建立具有层次关系的多“体”结构，各体之间具有明确的功能目标，使其具有模型承载信息、信息动态完备等特点。AMFB模型结构具有通用性，应用本文所提出的模型构造方法，可以构建面向领域的AMFB模型。上述产品信息建模理论的提出为开展产品数字化系统研究提供了原理支持。
　　 (2)提出了问题求解需求约束的模型信息动态完备理论，研究了产品信息模型的数据框架构造方法，使其具有适应动态多变的复杂产品设计多维信息集成环境的能力。分析确定了产品设计过程中多维信息的关联关系，形成以独立单元信息为概念体系的产品结构化信息表示理论与方法。并在此基础上建立了由结构树和信息树组成的“动态同构树”作为AMFB模型检索体数据结构，构成了AMFB模型数据框架，该数据框架保证了产品信息模型中的几何模型与非几何信息的关联一致性，使得AMFB模型具有几何模型承载产品信息的能力。上述研究为AMFB模型检索体的实现提供了理论支持。
　　 (3)提出了基于设计过程优化模型、设计任务多级触发模型及设计行为功能模型的AMFB模型控制体设计过程控制研究方法。定义了设计过程、设计任务和设计行为等相关概念，分析了产品设计过程迭代关系和产品设计任务时序关系对设计效率的影响。建立了基于DSM矩阵的产品设计过程优化模型，应用该模型可以减少设计过程中逆向迭代和耦合迭代的次数，得出最优的设计任务时序关系。提出了设计任务多级触发模型构建方法，该模型用于描述产品设计任务时序关系及模型信息配送关系。采用IDEF0方法建立了设计行为功能模型，通过深入分析设计行为交互规则，提取设计行为功能序列，确定了设计行为中设计信息的输入输出关系。上述研究为后续产品数字化系统的功能设计提供了理论依据。
　　 (4)深入研究了用于解决AMFB模型本体和对应的软件系统主体一致性问题的方法。利用OpenCASCADE几何造型平台的内核资源，研究了与AMFB产品信息模型实现相关的关键技术。基于OCAF框架及XML技术实现了AMFB模型检索体的动态同构树数据结构，提出了AMFB模型检索体的存储方法及实现技术。在上述研究的基础上，采用软件工程的方法开发了具有自主知识产权的基于多层-体产品信息建模理论的原型系统--AMFSDI。
　　 (5)提出了以耗散结构及熵理论为依据的产品数字化系统演化特性定量研究方法，验证了经由系统效能间接评价产品建模技术优劣的评价方法的可行性。通过分析耗散结构具有的相关特征及性质，得出产品数字化系统是一种耗散结构的结论。通过分析产品数字化系统演化本质与表征，探索从系统有序性的角度研究产品数字化系统演化特性的方法。构建了基于时空信息差量化方法的系统有序性判别模型，该模型通过计算产品数字化系统在设计过程各阶段的信息量，得出系统在各设计阶段的时空信息差，依据系统在时间、空间两方面的信息量变化研究系统的有序性。构建了产品数字化系统结构有序度判别模型，该模型从系统结构序的角度，定量的研究了系统结构对系统有序性的影响。通过论证分析得出影响系统结构有序性的两种序参量，基于熵理论分别给出了两种序参量有序度计算方法，从而得出系统结构序的综合有序度计算模型，用以作为系统有序性判别模型。以上述方法为定量研究手段，对传统产品数字化系统和AMFSDI系统进行了对比设计试验和定量分析。