面向信息物理系统的动态关系模型和系统设计方法研究

摘要

现代产品越来越网络化和智能化，其本质可以抽象为信息物理系统（Cyber-Physical System，CPS）。CPS产品中信息物理的多尺度融合、子系统的紧密交互及它们形成的动态开放结构导致现有设计表达和组织方法难以支持其创新设计。系统设计阶段是产品创新的核心环节，CPS产品的系统设计需要基于模型进行表达，通过模型验证保证设计的正确性。现有建模方法无法统一表达CPS产品的系统设计，异构模型容易导致设计的不一致，也难以进行验证。同时，CPS产品系统设计需要以一种类似众包的方式组织多领域、大规模的设计资源，通过设计评估为多方参与下的设计过程管控提供依据。现有众包框架无法应对CPS产品系统设计中资源和过程组织的复杂性，现有方法也很难有效对CPS产品的系统设计进行评估。针对上述问题，本文结合基于模型的系统设计方法和众包设计模式，提出一种基于动态关系模型的CPS产品系统设计方法，研究其中的设计表达、设计验证及设计评估，构建CPS产品系统设计的众包框架，从而帮助企业提升CPS产品的创新设计能力。本文的主要研究内容如下： （1）针对现有建模方法无法统一表达CPS产品的系统设计，而异构模型易导致设计不一致的问题，本文通过统一抽象CPS产品的连续离散混合行为和动态开放结构，形式化定义一种动态关系系统。通过参数化动态关系系统，提出了一种动态关系模型，实现CPS产品系统设计的统一表达，为CPS产品的系统设计奠定基础。 （2）针对CPS产品系统设计中模型验证困难，而设计缺陷需要尽快发现并改进的问题，本文通过分析动态关系模型及其组件的结构奇异性之间的关系，提出一种层次化结构分析方法。通过逐层验证模型降低每次验证的计算规模，提高设计验证的速度，实现CPS产品系统设计中复杂模型的快速验证，为设计的正确性提供保证。 （3）针对CPS产品系统设计中模型涉及领域多、规模大，人工评估难以进行，而自动评估缺乏统一评判准则的问题，本文通过分析系统设计过程中动态关系模型的演化特点，从工作量预测、设计进度评估和成果评估三个维度定义评估的指标和方法，实现CPS产品系统设计的多阶段自动评估，为复杂设计过程的管控提供依据。 （4）针对CPS产品系统设计涉及的资源领域多、规模大，子系统设计过程耦合紧密，现有众包框架无法应对的问题，本文通过分析基于动态关系模型的CPS产品系统设计中的主要活动，结合设计的统一表达，快速验证和自动评估方法，构建面向CPS产品系统设计的众包框架，为设计平台的实现和应用提供参考，从而提升企业的CPS产品创新设计能力。