一种基于流语义的物料形态变化功能分解方法

摘要

本发明公开了一种基于流语义的物料形态变化功能分解方法，包括：步骤1，建立元模型和物料形态类型模型库；步骤2，基于元模型和物料形态类型模型库，采用层次形态图表示物料的输入形态和输出形态；步骤3，对比输入形态和输出形态的层次状态图，得到物料整体形态变化对应的局部变化；步骤4，对局部变化进行优先级排序；步骤5，根据优先级依次执行局部变化操作，将输入形态转化为输出形态。在概念设计初期对包括物料流信息的功能语义进行建模表示，并利用建立的模型进行功能分解推导出物料所经过的变化过程。

说明书

技术领域

本发明涉及计算机辅助设计领域，具体涉及一种基于流语义的物料形态变化功能分解方法。

背景技术

概念设计是系统设计的重要阶段，产品总成本的70％左右在该阶段形成，而功能分解，是概念设计中获取产品的功能性和创新性的核心环节，存在于工业生产和日常生活中的大量机械系统，其核心功能都是对某些特定的物料的形态结构进行改变。

在传统的概念设计功能过程中，对流的语义表示十分有限，大多只支持对输入输出形态的类型和少量属性进行描述，尤其是对无法描述物料流的形态结构属性。由于流语义信息缺少，无法为功能分解提供有效知识，阻碍了功能分解的自动进行。

随着多域机电产品复杂性的日益增加，概念设计需要面向不同领域进行系统分析。传统概念设计中，缺乏规范化的功能建模方法，仅有自然语言或简单的框图表示，不便于来自不同领域的设计者的知识共享和重用。同时功能分解和原理解的查找过程往往依靠设计人员的经验知识人工完成，缺乏规范化自动化的功能分解方法。

现有功能表示方法存在建模不规范、语义缺失等问题，特别是由于在概念设计初期缺乏物料流形态结构属性的数值信息，导致了长期以来对物料流详细属性的无视。现有表示方法无法满足系统功能分析的需求，已有技术不具备功能自动分解的能力。

发明内容

本发明提供了一种基于流语义的物料形态变化功能分解方法，在概念 设计初期对包括物料流信息的功能语义进行建模表示，并利用建立的模型进行功能分解推导出物料所经过的变化过程。

一种基于流语义的物料形态变化功能分解方法，包括：

步骤1，建立元模型和物料形态类型模型库；

步骤2，基于元模型和物料形态类型模型库，采用层次形态图表示物料的输入形态和输出形态；

步骤3，对比输入形态和输出形态的层次状态图，得到物料整体形态变化对应的局部变化；

步骤4，对局部变化进行优先级排序；

步骤5，根据优先级依次执行局部变化操作，将输入形态转化为输出形态。

建立系统功能结构以及为功能找到原理解是概念设计的首要目的，在概念设计阶段，物料流的形态结构信息比较抽象，难以被规范的建模描述，为了解决这个问题，本发明提出了一种基于SysML的概念设计阶段物料流形态结构建模及自动功能分解方法，针对已知的系统输入形态和输出形态创建基于SysML的功能表示模型(即元模型)，使用层次形态图对物料流的详细形态结构属性建模，然后针对拥有具体输入输出形态属性语义的功能表示模型，采用自动功能分解策略，将物料流形态结构从输入状态改变到输出状态的整体改变，分解为多个物料局部形态元素间的关系变化，并自动推导出这些局部形态元素间关系变换的改变顺序，实现对物料变化功能的自动分解，便于后续的原理解查找和详细设计。

作为优选，所述元模型的构建复合SysML的标准规范。步骤1中的元模型基于SysML语言建立，对于物料流的形态结构属性，定义了层次化的物料结构表示法和层次状态图。

作为优选，将物料形态抽象为基本的规则几何形状，并按照维度进行分类，构成所述物料形态类型模型库。所述层次形态图包括：描述物料形态结构整体的层次结构树，以及描述当前层次子形态结构元素间连接关系的局部邻接图。

本发明建立了功能输入形态和输出形态之间的对象和属性映射规则 和推理规则，利用定义的规则，将基于输入输出形态信息的形式化总功能模型分解为多个子功能，其中每个子功能确定了物料的单个属性改变或单个物料结构/形态元素关系改变，对应步骤3，具体包括：

步骤3-1，根据输入形态的层次状态图，把所有局部邻接图拼合，得到体现输入物料形态的全局邻接图，该全局邻接图中记录描述输入形态所有局部形态元素的点集和描述各局部形态元素之间关系约束的边集；根据输出形态的层次状态图，把所有局部邻接图拼合，得到体现输出物料形态的全局邻接图，该全局邻接图中记录输出形态的点集和边集；

步骤3-2，对比输入形态的全局邻接图和输出形态的全局邻接图，得到新生成的形态结构元素、消失的形态结构元素、不变的形态结构元素以及新生成的形态结构元素间的关系约束、消失的关系约束、不变的关系约束；

步骤3-3，构造一张原始形态改变邻接图，该原始形态改变邻接图的点集为输入形态和输出形态的点集的并集，原始形态改变邻接图的边集为输入形态和输出形态的边集的并集，且针对每个点和每条边分别对应记录状态位，状态位包括三种状态，分别为新生成、被移除和一直存在；

步骤3-4，依据元素守恒原则和能量最小原则进行移除点到新生成点的对应，得到关系改变效应图。

本发明由功能规划算法完成子功能执行顺序的自动排序，优选地，步骤4，具体包括：

步骤4-1，针对关系改变效应图中的每个节点，记录该节点所在的最小环，对所有边设置初始优先级为-1，并初始化全局变量P＝0；

步骤4-2，选取某一节点作为基点，由该基点开始遍历关系改变效应图中的每个节点，设置基点的优先级为P；全局变量P＝P+1；

步骤4-3，获取当前节点及其优先级current P，令全局变量P＝currentP，对当前节点的所有邻居节点做如下处理：

获取当前节点与当前邻居节点的边语义，在当前节点没有被排序时执行以下过程：

若边语义为一个关系约束的变化，设置该边及该邻居节点的优先级为 P，P＝P+1，并将当前节点更新为当前邻居节点，重新进行步骤4-3；

若边语义为新生成的关系约束，检测当前节点所在环上的其他耦合关系约束是否已排序，若已经排序，设置该边及该邻居节点的优先级为P，P＝P+1，并将当前邻居节点作为当前节点，重新进行步骤4-3；

步骤4-4，当所有关系约束改变都被排序后，依据每条边的优先级从小到大的顺序进行输出，得到局部变化的优先级排序。

本发明具有在概念设计阶段进行物料流形态结构的表示能力，首次关注了固态流的形态属性在概念设计初期的表示，提出的层次形态图(HSG)表示，支持在不同抽象层次上的物料形态属性描述，并根据国际对象管理组织制定的相关规范，基于SysML/UML的扩展机制在IBM Rhapsody平台上创建了总功能定义和流定义的语义描述元模型，进行功能表示模型的语法实现。

本发明提出了物料流形态变化分解和变化过程规划的策略，由于HSG表示本身带有层次结构特性和分层抽象特性，因此利用表示法本身的层次结构定义了物料形态变化发生前后各个形态元素间的对应关系，制定形态改变分解规则和局部变化的排序规则，并对定义的分解策略进行了java程序的实现。

本发明能够针对物料形态的改变进行自动功能分解，以总功能定义的SysML模型中对输入输出物料流的语义描述为基础，将物料形态的总体变化分解为多个描述物料局部变化的子功能，并为子功能的行为顺序进行排序。这种自动分解过程有助于帮助设计者理解物料改变的过程，分解结果将指导并简化功能结构模型的建立，便于对子功能的组件实现进行直接求解。

附图说明

图1为基于UML扩展的SysML语言元模型定义示例；

图2为物料形态类型模型库定义示例；

图3(a)～图3(g)为物料形态的层次结构图表示法示例；

图4为物料形态的原始形态改变邻接图；

图5为物料形态的关系改变效应图；

图6为总功能模型的SysML定义示例；

图7(a)～图7(f)为物料输入形态属性的SysML建模表示示例；

图8为执行结果启发的包装盒改变过程示意图；

图9(a)、图9(b)为物料输出形态属性的SysML建模表示示例；

图10为本发明基于流语义的物料形态变化功能分解方法的流程图。

具体实施方式

本发明提供基于流语义的物料形态变化功能分解方法，大致包括如下步骤：

首先，根据所需要描述的输入输出物料流的语义特征，提取出最核心的属性，并基于SysML的建立元模型，建立物料形状类型模型库、物料属性类型模型库等常用建模元素的知识库。对元模型的建模应符合对象管理组织(OMG)所定义的语言或元模型规范，使用已定义的元模型创建功能模型，指明功能的所有输入形态和输出形态。对每一个输入形态或输出形态给予详细的类型，属性值定义。依托于功能语义/流语义本体的建模元素辅助设计者进行功能意图的表示，详细定义参与功能的输入输出物料流的形态结构流语义。

然后，定义输入形态和输出形态之间的映射规则和分解规则。编写java代码，实现对基于SysML的功能定义模型的解析和实现分解规则进行自动功能分解。该过程推理出流之间的结构关系变化，最后进行固态流的形态元素变化及形态元素关系的时序路径规划。在整个功能分解过程结束后，每个子功能都是一个明确的子任务，它是单个物料对象的类型、属性、形态类型改变，或两个物料对象和形态元素间的关系改变。路径规划的结果也为功能结构的创建提供了依据。

如图10所示，具体方法步骤如下：

步骤1：建立元模型及模型库

(1)建立SysML元模型

为进行功能的规范定义，应首先对SysML进行扩展，建立功能和流语 义相关的元模型。创建过程需要符合SysML的标准规范。为了便于管理，可将元模型按语义类型进行分类，定义相应的包封装各类型的元模型。SysML作为统一建模语言(Unified Modeling Language,UML)的扩展，支持使用版型(Stereotype)对SysML进行轻量级扩展，定义所需元模型。图1为基于UML扩展的SysML元模型定义示例。

如图1所示，元模型的构建复合SysML的标准规范，所述元模型包括流对象、流属性和关系约束，所述流属性包括值属性和形状属性、形状属性包括简单形状属性和复合形状属性。

(2)建立物料流表示的常用模型库

物料形态是物料流语义描述的重要组成部分。简单的物料形态可以被抽象为基本的规则几何形状并按照维度进行分类。在SysML中创建物料流形态类型(Shape type)模型库，可在对具体物料流建模表示时进行重用，简化建模操作。图2给出了物料流形态类型模型库的定义示例。

如图2所示，形状包括：点、线、面、体，线包括直线和曲线，面包括平面和曲面，平面包括三角形、矩形、圆形等；体包括立方体、圆柱体以及球体等。

(3)建立基于层次形态图的物料形态建模规则

层次形态图(hierarchical shape graph，HSG)用于在不同抽象层次上对物料的形态结构进行建模描述，该表示包含以下两部分：层次结构树(hierarchical structure tree，HST)是对物料形态结构整体的直接抽象；局部邻接图(Local Adjacent Graph，LAG)是基于描述当前层次子形态结构元素间的相互连接关系。图3给出了物料形态属性的HSG表示方法示例。

图3(a)所示为粽型盒，图3(b)为粽型盒的输入形态，图3(c)为粽型盒的输出形态，图3(d)为输入形态的层次结构树，图3(e)为输入形态的局部邻接图，图3(f)为输出形态的层次结构树和局部邻接图，图3(g)为输出形态的全局邻接图。

步骤2：建立功能分解规则，进行自动分解功能的实现

(1)定义形态分解规则和实现自动功能分解

基于步骤1中的元模型和物料流形态结构表示，可制定物料形态结构变化规则进行自动功能分解。变化规则的制定遵循以下三个原则：

·物料守恒：输入输出物料流的组成成分在总体上保持守恒。

·形态元素守恒：物料整体形态变化是基于其所有形态组成元素间的局部关系改变所导致。

·能量最小原则：物料的形态改变分解满足能量最小原则。

(2)定义和实现子功能排序规则

得到实现物料整体形态变化的局部变化效应后，需要规划这些局部变化的发生顺序。物料的层次结构暗示了物料关系变化的改变顺序。排序算法遵循以下三个原则：

·层次关系：对于物料的拆分，执行顺序自顶向下，对于物料的合成，改变顺序自底向上。

·优先规则：在导致物料形态结构的局部关系改变的发生顺序上，优先级是从关系移除，到关系改变再到关系生成的逐步下降。

·耦合关系规则：一个关系的改变可以依赖于与其拥有耦合关系的其他关系的实现而达成。

(3)实现物料流形态改变功能分解算法：

·根据输入或输出物料形态的HSG结构，把所有的局部邻接图进行拼接，获取体现物料形态的全局形态元素邻接图，该邻接图用一个点表和一个边表分别记录所有节点和所有边。

·通过对输入输出邻接图的点表和边表的对比，得出新生成的形态结构元素，消失的形态结构元素，不变的形态结构元素以及新生成的形态结构元素间关系约束，消失的关系约束，及改变的关系约束。

·根据上述信息，构造一张原始形态改变邻接图，该邻接图的点集合为输入输出点集的并集，邻接图的边集合为输入输出边集的并集。且每个点和每条边都有一状态位记录其是新生成，被移除，还是一直存在的。图4是棕型盒形态变化的原始形态改变邻接图。其中带双箭头的边是新生成的关系，实线边是需要变化的关系，虚线是需要移除的关系约束。

·据形态元素守恒原则，和能量最小原则进行移除点到新生成点的对应。对于一个输入形态结构元素被拆分的情况，将该形态元素在原始形态改变邻接图中移除，只保留其被拆分为的多个形态结构元素，并将该元素与其他元素间的关系约束转移为被拆分成的元素与其他元素间的约束。

例如：点A被拆分为点B和点C，在原始形态改变邻接图中移除点A，保留点B和点C，将点A与其他元素之间的关系约束删除，相应添加点B和点C和关系约束，以及点B和点C与其他元素之间的关系约束。

·与拆分关系同理，对于在输出中新合成的形态元素，将其在原始形态改变邻接图中移除，只保留合成它的那些在输入中出现的成分。相应的关系也进行对应。同时由于组成关系的生成，组成成分间需要添加约束关系。

例如，点A和点B合并为点C，在原始形态改变邻接图中移除点A和点B，保留点C，将将点A和点B的关系约束，以及点A和点B与其他元素之间的关系约束删除，添加点C与其他元素之间的关系约束。

·根据上述步骤生成的关系改变效应图，其中每个节点将告知该形态元素是否是新合成或拆分的，而图中每个边表示了形态元素间关系约束的改变。这些关系约束的改变是造成物料整体形态改变的本质。图5体现了表现棕型盒从纸板到盒子整体变化的关系改变效应图。

(4)实现物料流形态改变子效应排序算法：

1.首先对于关系效应改变图中的每一个节点，储存其所在的最小环，该环表示了它和相邻形态元素间的关系改变耦合关系。对所有边设置优先级为-1.设置全局变量P＝0。

2.设计者选取的节点做代表的形态元素将作为图遍历的起点，设置优先级为全局变量P。P＝P+1(将P+1的值赋给P)，将当前节点和P作为参数进入过程3。

3.获取当前节点及当前节点的优先级currentP，令P＝currentP，对当前节点的所有邻居节点做如下处理：

3.1.获取当前点和当前邻居节点间的边语义。仅在当前尚未排序时执行以子下过程。

3.2.若是一个需要被改变的关系约束，则设置该边及该邻居节点的优先级为值P，P＝P+1。并以当前邻居节点和P作为参数，重复过程3。

3.3.如果是一个新生成关系约束类型，先检测其所在环上的其他耦合关系约束是否已排序；

若已经排序，则设置该边及该邻居节点的优先级为值P，P＝P+1。以当前邻居节点和P作为参数重复过程3；

若未排序，则不改变优先级。

4.当所有关系改变都被排序后，效应规划过程结束，按每条边的优先级进行从小到大的输出，则得到导致物料整体形态变化的局部关系约束改变的执行序列。

步骤3：建立功能模型，执行自动功能分解和排序

(1)根据已知的物料信息和功能需求建立SysML功能表示模型

根据步骤1定义的元模型和物料形态结构表示法，在SysML中创建总功能表示模型。首先为功能指定每一个输入形态和输出形态对象。为每一个流对象，定义其流类型和属性。对于固态物料流，根据已知形态信息，使用HSG表示法建立其形态表示模型。图6给出了一个包装盒的总功能定义。图7(a)为组成包装盒的示意图，图7(b)～图7(f)给出了包装盒的输入形态属性HSG表示的SysML模型，图9(a)和图9(b)为包装盒输出形态的部分HSG表示的SysML模型。

需要注意的是，在输入输出物料形态的SysML模型中，每一个复合形状的邻接图中，两个简单形状间的连接都含有其关系约束语义信息。由于篇幅所限，略过不表。

(2)对功能模型执行功能分解和子功能排序

此时，选择待分解的总功能定义模型，执行已实现的自动功能分解和子功能排序。执行过程首先会对SysML模型中的信息进行解析，将输入形态匹配到对应的输出形态。每个物料流的HSG的模型也会被解析，根据HST将所有LAG图拼合为一个全局的物料形态元素邻接图。而对物料形态的输入输出邻接图进行比对，则可分解出所有元素间的关系改变。最后则依据子功能排序算法确定这些局部关系改变的发生顺序。表1给出了包装 盒形态改变的功能自动分解后所检测到所需发生的关系约束变化，及这些关系变化经过子功能排序后的执行优先级。

表1

优先级约束改变方式关系类型起始对象目标对象1改变(减小)角度面2基面1改变(减小)角度面3基面1改变(减小)角度面5基面1改变(减小)角度面4基面2改变(减小)角度面11面22改变(减小)角度面7面22改变(减小)角度面6面22改变(减小)角度面12面42改变(减小)角度面9面42改变(减小)角度面8面42改变(减小)角度面10面52生成连接面5面92生成连接面3面82生成连接面5面62生成连接面3面73改变(减小)角度面13面103生成连接面10面123生成连接面10面114生成连接面13面3

图8是根据该结果所启发的包装盒改变过程示意图。