基于行为流空间序列着色Petri网的产品建模方法

摘要

本发明提供一种基于行为流空间序列着色Petri网的产品建模方法，该方法至少包括以下步骤：步骤一，将产品所涉及到的零件及其之间的联接关系进行编码；步骤二，在上述编码的基础上建立产品中行为流空间序列的语义网络；步骤三，在语义网络建立的基础上建立行为流空间联接关系谓词矩阵来表达产品结构单元之间的联接关系；其中行和列均为产品零件中所涉及的结构单元编码，而矩阵中数据则为联接关系编码；步骤四，行为流联接关系谓词矩阵转化为空间序列的着色Petri网模型。本发明采用更为智能的行为流产品建模方法，并通过行为流空间序列语义网络的建立和Petri网建模来进行行为流的显示表达，即行为流建模过程中空间结构状态的传递序列。

说明书

技术领域

本发明涉及产品建模领域，特别是涉及一种基于行为流空间序列着色Petri网的产品建模方法。 

背景技术

复杂产品是指结构复杂、技术密集、制造要求和成本高、过程管理复杂、客户需求多变的一类产品。而概念设计则是复杂产品设计过程最为核心的阶段,是增强产品竞争力的根本环节。资料表明，只占成本5％的概念设计阶段决定了产品全生命周期成本的85％，产品设计质量的70％以上，时间和成本同质量一样成为决定产品成败的关键因素。由于概念设计处于产品生命周期的最早期阶段，对后续的设计环节有着极大的影响。概念设计从根本上决定了产品的功能、质量、成本、开发时间和产品的创新性，它包括设计人员对设计任务的理解，设计灵感的表达，设计理念的发挥。 

现如今功能建模则是复杂产品建模最为普遍的方式，通过对产品功能的研究，以产品功能为核心来看待整个模型，一般的方法中都采用自上而下的功能分解来建立模型的层次，引导功能建模。而当前建立的功能分解方法，都是在尽最大的可能对已有的功能划分的知识或者经验的总结利用，来指导功能分解。这些知识的总结都是来自部分领域人员大脑思考的结果，从出发点上就具有片面性，可能只适用于部分领域，不具备通用性；另一方面，人的知识，经验，其实也就是寻找功能设计优化解的经过部分验证的估值函数，并不保证是最优解，也不保证找到当前相对更好的一个选择；再次，如果提出的模型产生的设计结果不具备可行性，一切都变得毫无意义，因此功能模型是从主观到客观，从抽象到具体的过程，但是也要考虑到是否有实现的可能性，以往的从上往下单一的路线会造成结果和现实的脱离。 

因此Gero提出了产品设计的FBS(Function-Behavior-Structure)模型，他认为设计过程是设计者将产品的功能需求转化为预期可以实现该功能的行为，然后根据行为选择相应的结构单元，再将结构的实际行为与预期能够实现功能的行为进行比较，如果结果较为匹配则能得出符合功能需求的结构单元，若不匹配则重复上述过程，在FBS理论提出后，产品概念设计过程更加注重了对产品建模过程中行为的研究，通过建立产品的行为流模型来解决以上问题。产品行为是客观的，可以无歧义的表达复杂产品的建模过程，此外通过直接对行为的研究，可以明确定义建模过程中产品的一系列状态，特别是起始状态和目标状态。通过这两 个状态以及之间触发状态发生变化的的行为，得出最优行为变化序列来实现状态的转变，从而实现产品的创新设计，建立新产品的行为流模型，而且行为可以直接对应到结构，可以得到产品的实现，产品的行为流模型具有实用性，覆盖智能设计的整个生命周期。 

虽然目前已经提出了产品的行为流建模这一概念，但尚没有针对这一概念进行深入分析，因此本文致力于对行为流的表达问题进行深入研究，本文通过提出行为流的空间序列这一全新概念，从空间序列的演进变化这一角度来描述基于行为流的产品智能设计过程，本文的后续章节将提出两种行为流空间序列的表达方式以及这两种表达方式的转换原则。 

发明内容

鉴于以上所述，本发明的目的在于提供一种基于行为流空间序列着色Petri网的产品建模方法，用于实现产品概念模型的自动化设计以及创新。 

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于行为流空间序列着色Petri网的产品建模方法，该方法至少包括以下步骤： 

步骤一，将产品所涉及到的零件及其之间的联接关系进行编码； 

步骤二，在上述编码的基础上建立产品中行为流空间序列的语义网络； 

步骤三，在语义网络建立的基础上建立行为流空间联接关系谓词矩阵来表达产品结构单元之间的联接关系；其中行和列均为产品零件中所涉及的结构单元编码，而矩阵中数据则为联接关系编码； 

步骤四，行为流联接关系谓词矩阵转化为空间序列的着色Petri网模型。 

优选地，所述产品为发动机。 

优选地，根据发动机的四个工作过程进气、压缩、做功以及排气所涉及的行为流空间序列用空间序列的着色Petri网模型进行表达。 

优选地，步骤二中的行为流空间序列分割为若干单元节点，所述单元节点的数学定义： 

B(S₁，S₂ ...S_n：α，β，γ...) 

B代表驱动空间序列发生变化的行为，S₁，S₂...S_n代表构成产品的结构单元，α，β，γ...则代表约束传递路径的联接关系因子；空间序列则是由一系列空间序列单元节点来实现，其数学定义如下： 

π-B₁B₂B₃...B_k(S₁，S₂...S_n：α，β，γ...)→Γ。 

本发明采用更为智能的行为流产品建模方法，并通过行为流空间序列语义网络的建立和Petri网建模来进行行为流的显示表达，即行为流建模过程中空间结构状态的传递序列。最后通过汽车发动机的设计实例来阐述基于空间序列的行为流表达。 

附图说明

图1显示为行为流空间序列建模框架。 

图2显示为现有的发动机气门装配示意图。 

图3显示为本发明空间序列语义网络示意图。 

图4显示为本发明气门运动过程中行为流空间序列的SSCPN。 

图5显示为本发明发动机四冲程的SSCPN表达。 

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。 

请参阅图1至5。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。 

产品行为流的空间序列建模框架 

在提出行为流空间序列的概念前我们有必要给出了行为的定义： 

定义1行为:在FBS模型中行为是结构状态发生变化的过程，状态发生变化之后，结构就实现了某部分的功能。 

在行为的基础上我们得知结构在状态发生变化之后便能实现一定的功能，但是产品功能并不是由单一功能就能完成的，而是需要一系列的子功能按照特定的顺序实现来完成，因此形成了一系列行为的流动过程，“流”的元素是行为。由此我们能得出行为流的概念。 

定义2行为流：一系列结构的状态按照特定的时间顺序和空间顺序发生状态改变，造成一系列子功能的顺序完成，从而最终完成一个特点的总功能。 

在结构变化的过程中在空间上会形成一个变化序列，通过研究这一空间序列能够使我们在概念设计阶段便能解决设计干涉以及结构优化等问题。 

定义3行为流空间序列：为实现某一特定功能，结构之间的空间联接关系在行为的驱动下产生一系列可传递的状态变化，结构的这种空间联接关系的状态传递路径即为行为流的空间序列。 

从空间序列的定义中我们可以看出行为是结构空间状态发生传递变化的驱动因素，其中 由联接关系因子约束空间序列的传递路径，联接关系因子为产品结构单元在空间联接关系中涉及的角度、距离、频率等参数约束，由此我们可以得出行为流空间序列单元节点的数学定义： 

B(S₁，S₂...S_n：α，β，γ...)                   (2.1) 

B代表驱动空间序列发生变化的行为，S₁，S₂...S_n代表构成产品的结构单元，α，β，γ...则代表约束传递路径的联接关系因子。空间序列则是由一系列空间序列单元节点来实现，其数学定义如下： 

π＝B₁B₂B₃...B_k(S₁，S₂...S_n：α，β，γ...)→F  (2.2) 

由定义可知空间序列是在一系列行为的驱动下，在联接关系因子的约束下产生的变化序列，从而实现特定的功能。 

在给出行为流和空间序列的概念后我们便能得到行为流空间序列建模框架，如图2-1所示： 

3.行为流空间联接关系谓词矩阵 

在提出行为流空间联接关系谓词矩阵这一概念之前，有必要引入语义网络作为理论基础。行为流的空间序列本质上是产品建模过程中零部件之间的联接关系的变化序列，而语义网络通过概念节点和连接弧能够很好的表达概念之间的关系。因此本文首先采用语义网络来描述零部件之间的联接关系。在空间序列语义网络中联词为结构之间的联接关系，名词为结构单元，空间序列的BNF范式为： 

<空间序列>::=<结构单元><联接关系><结构单元> 

<结构单元>::=<名词N>|<名词组> 

<联接关系>::=<联词L>|<联词组> 

产品中的结构单元由特定的联接关系组织在一起，由语义词作为联系纽带，形成了结构单元在空间上的联接关系，而这种关系性网络就称为空间序列语义网络。气门作为发动机中的一个重要组成部件，其行为流在空间结构中有着典型的空间传递路径，因此本文接下来的部分采用气门作为实例来阐述行为流的空间序列表达。 

为方便建立空间序列的语义网络，本文将气门中所涉及到的零件及其之间的联接关系进行编码： 

RockerRodValue Cam 

  零件名称   Rocker   Rod   Value   Cam   Ground   Spring   编码   P01   P02   P03   P04   P05   P06

[0048] 表1：发动机气门零件及其编码 

表2:空间联接关系编码 

在此基础上即可建立气门中行为流空间序列的语义网络，如图2-2所示： 

在语义网络建立的基础上便可以建立行为流空间联接关系谓词矩阵(Space Join Relationships Predication Matrix,SJRPM)来表达结构单元之间的联接关系，其中行和列均为零件中所涉及的结构单元编码（参见表1），而矩阵中数据则为联接关系编码（参见表2），具体数学定义如下： 

(1)i,j∈{结构单元编码}， 

(2)

在定义了这一概念后可将图3-2中所描述的空间序列语义网络转化为相应的行为流空间联接关系谓词矩阵D进行表达： 

$D=\left(\begin{array}{cccccc}0& 13& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 11& 0& 0\\ 0& 0& 0& 13& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 2& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0\end{array}\right)$

4.行为流空间序列着色Petri网建模 

4.1行为流空间序列的着色Petri网模型 

着色Petri网作为Petri网的一种扩展形式，能有效的帮助用户处理包含海量细节信息和高度聚合相关的知识表达，本文在此基础上提出了基于行为流空间序列的着色Petri网（Spatial Sequence Colored Petri-Net,SSCPN），用于描述和分析产品建模过程中结构单元为实现一定功能在空间中的变化路径。 

定义4行为流空间系列着色Petri网（SSCPN） 

SSCPN=(∑，P，T，R，N，O，G，F，I)， 

（1）∑:颜色集，用于描述空间联接关系中所涉及的结构单元，其颜色即为图3中结构单元 所显示的颜色。 

（2）P：库所有限集，用于描述结构单元的空间联接关系。 

（3）T：变迁有限集，用条状体描述驱动空间序列传递的行为。 

（4）R：有向弧的集合，P∩T＝P∩R＝T∩R＝0，用于描述联接关系因子。 

（5）F:条件函数的有限集，其中有向弧表示系统状态只有在变迁发生时才会发生变化。 

（6）I:初始化函数。 

4.2发动机气门设计行为流空间序列的着色Petri网模型（SSCPN） 

4.2Spatial sequence colored Petri nets in design of auto engine′s valve 

汽车发动机的气门是负责向发动机内输入燃料并排除废气的装置，在该过程中气门中各个结构单元之间的联接关系在行为的驱动下发生连续变化，凸轮和发动机机体的同轴联接关系在旋转行为的驱动下转化为连接杆和机体进行往复运动的同轴关系，然后以类似的方式一直传递下去，直到活塞和机体进行往复运动的同轴关系。这一过程可通过SSCPN进行表达，如图4所示： 

图4中所涉及库所及变迁具体含义请参见表3： 

表3：库所及变迁含义 

4.3发动机气门设计行为流空间序列的行为流空间联接关系谓词矩阵(SJRPM) 

这一过程也可用第三章定义的行为流空间联接关系谓词矩阵来进行表 达，它与空间序列的着色Petri网模型可相互转化，而矩阵演进的传递 因子则是引起状态变化的行为及零件运动过程中所涉及的运动参数， 由此发动机气门的行为流空间序列的SJRPM表示为：

5.复杂产品建模过程中基于空间序列的行为流表达发动机实例 

为了从空间序列这一角度更好的表达产品设计过程中所涉及的行为流，本文采用发动机工作过程来分析描述这一问题。发动机是一种能量转换机构，它将燃料燃烧产生的热能转变成机械能，要完成这个能量转换必须经过进气，把可燃混合气引入气缸；然后将进入气缸的可燃混合气压缩，压缩接近终点时点燃可燃混合气；可燃混合气着火燃烧，膨胀推动活塞下行实现对外作功；最后排出燃烧后的废气。即进气、压缩、作功、排气四个过程，如图5-1所示。把这四个过程叫做发动机的一个工作循环，工作循环不断地重复，就实现了能量转换，使发动机能够连续运转。 

在进气过程中曲轴的旋转，活塞从上止点向下止点运动，这时排气门关闭，进气门打开。进气过程开始时，活塞位于上止点，气缸内残存有上一循环未排净的废气，因此，气缸内的压力稍高于大气压力。随着活塞下移，气缸内容积增大，压力减小，当压力低于大气压时，在气缸内产生真空吸力，空气经空气滤清器并与化油器供给的汽油混合成可燃混合气，通过进气门被吸入气缸，直至活塞向下运动到下止点。 

在压缩过程中曲轴继续旋转，活塞从下止点向上止点运动，这时进气门和排气门都关闭，气缸内成为封闭容积，可燃混合气受到压缩，压力和温度不断升高，当活塞到达上止点时压缩行程结束。 

而在做功过程中进气门和排气门仍然保持关闭。当活塞位于压缩行程接近上止点位置时，火花塞产生电火花点燃可燃混合气，可燃混合气燃烧后放出大量的热使气缸内气体温度和压力急剧升高，高温高压气体膨胀，推动活塞从上止点向下止点运动，通过连杆使曲轴旋转并输出机械功，除了用于维持发动机本身继续运转外，其余用于对外作功。随着活塞向下运动，气缸内容积增加，气体压力和温度降低，当活塞运动到下止点时，作功行程结束， 

可燃混合气在气缸内燃烧后生成的废气必须从气缸中排出去以便进行下一个进气行程。 当作功接近终了时，排气门开启，进气门仍然关闭，靠废气的压力先进行自由排气，活塞到达下止点再向上止点运动时，继续把废气强制排出到大气中去，活塞越过上止点后，排气门关闭，排气行程结束。 

上述四个过程中所涉及的行为流空间序列表达均可用SSCPN进行表达，如图5所示：其具体分析见表4： 

表4：发动机四冲程SSCPN具体分析 

本文在当前研究的基础上，提出了行为流空间联接关系谓词矩阵及相应着色Petri网模型两种基于空间序列的行为流表达模型，二者从不同的角度对行为流的表达问题进行了形象的 描述，并且均可以相互转化，详尽地表示了在复杂产品建模过程中行为流空间序列的传递过程，为后续针对行为流的深入研究及其在产品建模中的具体应用提供了理论表达基础。 

综上所述，基于行为流的产品设计是一个极其复杂的创新思维过程，仅基于目前的智能化技术水平要实现真正的自动化、智能化设计还有较长的路需要探索；因而智能设计不仅需要从设计学、计算机建模、人工智能的领域去拓展，还应该从认知科学、思维科学、系统科学等领域进行交叉研究。只有不断创新设计理论和表现方法，才能是智能设计达到新的境界，取得新的突破。 

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。