一种知识驱动的电子设备机箱参数化模型自动生成方法

摘要

本发明属于计算机辅助设计技术领域，具体涉及知识驱动的电子设备机箱参数化模型自动生成方法,其特征是：建立描述机箱类产品拓扑结构的参数化模型表示框架；建立功能元、行为元、结构元、参数元的产品知识库；以设计需求参数为输入，通过产品知识库将机箱产品的设计需求参数转化为产品功能元表述；以功能参数流为输入，通过设计知识，实现机箱产品的行为拓展和分解，并对参数进行求解迭代后向结构层输出；以行为参数流为输入，通过设计知识，实现机箱产品的结构映射，自动生成产品实例的参数化几何模型。它以便从逻辑表达、图形表达、几何表达、语义表达四个方面全面的对产品模型进行表示。

说明书

技术领域

本发明属于计算机辅助设计技术领域，具体涉及知识驱动的电子设备机箱参数化模型自动生成方法。

背景技术

电子设备机箱是用来作为容纳电子元件、设备模块以及机械部件的结构体，其具有功耗大、局部热流密度高、体积小、重量轻等特点，并且其需要在各种复杂环境影响和干扰的情况下正常工作。为确保机箱内各个组成免受复杂环境影响，要求机箱在满足电气性能、机械连接性能的同时还要具有良好的环境适应性能，这些都为结构设计带来了困难。

设计人员在进行机箱产品的结构设计时，需要根据设计要求的不同，依据设计知识和法则，人工构建不同的框架模型，对零部件和特征的不同配置进行选择，操作缺乏智能性，制约了产品建模效率的进一步提升。而参数化技术(Parametric)是实现产品零部件几何模型快速构建的一种行之有效的手段，可实现产品模型的快速构建和结果重用，使得用户可以在原有设计的基础上推陈出新。通过将知识工程技术(Knowledge BasedEngineering,KBE)与参数化技术相结合，是对参数化技术的进一步发展，通过实现参数化系统的知识表示、知识存储及知识复用的能力，提高参数化系统的知识推理的水平，是参数化系统发展的必然趋势。

现有的参数化技术手段只能面向几何关系实现零件几何模型的快速构建，并不适合于产品整机几何模型的快速构建。采用传统参数化技术建立产品整机的几何模型时，设计者仍需要进行大量的繁琐操作，一是确定组成产品的零部件种类、实例数量和装配关系。二是确定零部件拓扑结构和特征。三是确定设计参数。产品各零部件及其特征由数量庞大的设计参数进行描述和控制，参数之间存在复杂的关联关系，当某些参数发生变化时，其它参数也要进行相应调整。复杂产品往往由成百上千个零部件组成，每个零件又包含大量的特征和设计参数。设计者在数字化建模过程中，需要维护的零件、特征和参数的数量非常庞大，加上它们之间的关系错综复杂，设计过程中又需要进行不断的修改和调整，因此设计者的工作量很大，很容易出现错误。而现有的基于知识的模型参数化构建方法将参数化建模中的各种规则(例如：约束条件，关系式，逻辑运算等)通常以软件编码的方式“固化”在软件系统中，用户面对的是一个封闭的黑箱系统，无法对其进行拓展和修改。因此无法针对产品进行适应化拓展的参数化系统无法满足工程的实际需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种知识驱动的电子设备机箱参数化模型自动生成的方法，以便从逻辑表达、图形表达、几何表达、语义表达四个方面全面的对产品模型进行表示。

为实现以上目标，本发明的技术方案是：一种知识驱动的电子设备机箱参数化模型自动生成的方法，其特征是，至少包括如下步骤：

(1)建立描述机箱类产品拓扑结构的参数化模型表示框架；

(2)建立功能元、行为元、结构元、参数元的产品知识库；

(3)以设计需求参数为输入，将机箱产品的设计需求参数进行功能的拓展和分解，并对参数进行求解迭代后向行为层输出；

(4)以功能参数流为输入，将机箱产品的行为拓展和分解，对参数进行求解迭代后向结构层输出；

(1)以行为参数流为输入，对机箱产品的结构映射，生成产品实例的参数化几何模型。

所述的参数化模型表示框架是指：以模型表示框架对象将用来组成模型的零部件、特征等几何元素进行抽象表示，以对象间的关联关系来反映模型的几何拓扑结构，表示框架的结构是机箱类产品的抽象表示，即表达的是机箱类产品所具有的共性拓扑结构，参数化模型表示框架的一般表达式可表示为：

PF＝{KBCs，ABSO_Cs，ABSO_Fs，APCs，PARs} (1)

其中：PF表示参数化模型表示框架；

KBCs表示驱动约束描述集，是嵌入到参数化模型表示框架的知识表述；

ABSO_Cs表示抽象化的零部件对象集合；

ABSO_Fs表示抽象化的特征对象集合；

APCs表示对象间的几何关联关系；

PARs表示对象间的参数关联关联。

所述的建立功能元、行为元、结构元、参数元的产品知识库是将产品的设计知识按照产品功能、产品行为、产品结构、产品参数划分为四个层面，分布是功能层、行为层、结构层、参数层，其表达式可表示为：

O

其中：O

f(p)表示在参数驱动下的产品所能实现的功能目标；

b(p)表示在参数驱动下的实现产品功能的产品的物理行为；

s(p)表示在参数驱动下的产品的实际物理结构；

p表示产品性能参数以及产品性能参数经由知识推导而来的产品原理参数、几何结构参数等，用来驱动功能层、行为层、结构层。

所述的产品知识库是产品构建所需设计知识的抽象汇总，其构建过程至少包含以下步骤：

(1)构建产品功能知识库；

(2)构建产品行为知识库；

(3)构建产品结构知识库；

(4)构建产品参数知识库。

所述的产品功能知识库是产品功能知识的集合，是将产品的主要功能进行拆分，将其分解成独立的、单一的功能元进行表述。

所述的功能元是指构成产品功能语义网络的最小组成元素，是对能够完成产品某个功能需求的逻辑单元的抽象表示；功能元的一般表达式可表示为：

F＝{FAttrs，FParas，FAnnotations} (3)

其中：FAttrs表示功能属性集合，即与功能元相关的各类属性信息集合，例如：功能编号、功能名称、功能类型、创建者、应用环境、产品名称、操作人员、安全等级等；

FParas表示功能参数集合，即与功能元相关的各类参数变量的集合；

FAnnotations表示功能描述，即对功能元的详细描述，反映了功能元的功能实现目标。其采用了语义网络图进行结构化表示。

所述的产品行为知识库是产品行为知识的集合，是对产品功能的映射，是对功能实现的原理、规律、常识的抽象总结。

所述的行为元是指构成产品行为语义网络的最小组成元素，是对功能元的解读，其内容描述功能实现时，产品物理结构所执行工作的。行为元的一般表达式可表示为：

B＝{BAttrs，BParas，BAnnotations} (4)

其中：BAttrs表示行为属性集合，即与行为元的相关的各种属性信息的集合，例如：编号，名称…等。行为元属性集合在与行为元相关的推理操作过程中起到索引的作用；

BParas表示行为参数集合，即与行为元相关的参数集合。其结构与功能参数集合相似；

BAnnotations表示行为描述，即行为描述的语义网络图。对行为元的准确描述，反映了行为元的能够实现的动作或操作。与功能描述相同，采用语义网络图对其进行描述。

所述的产品结构知识库是产品结构知识的集合，是对产品行为实现所需的物理结构的表述。

所述的结构元是指构成结构语义网络的最小组成元素，是描述产品几何模型的组成和关系；结构元由参数化模型表示框架进行表述。

所述的参数知识库是产品参数知识的集合，是对产品设计过程中数据对象的抽象表述。

参数元是指构成参数集的最小组成元素。参数元的一般表达式可表示为：

P＝{PAttrs，PObjects，POperation，PFunction，PStatus} (5)

其中：PAttrs表示参数属性集合，例如：编号，名称…等；

PObjects表示参数关联对象集合，用以表述参数所关联的对象，表述范围包括功能元、行为元、结构元；

POperation表示参数对象操作，用以表述参数元的操作。操作范围包含参数的查询、取值等；

PFunction表示参数关系方程，用以表述参数所蕴含的关系表达式；

PStatus表示参数的状态，用以表述参数当前的求解状态。

所述的设计需求参数是指由设计人员根据产品的预期设计目标，所确定的产品所具有性能指标参数，性能指标参数可视为产品的初始参数集合P0；将这些参数作为功能元输入参数传入功能元中，参数在功能元内部完成求解迭代，同时随着功能元的分解过程，对参数按照类型加以区分并继续传递。

参数求解的一般表达式：

Slove(x)＝Search(x)∪Cal(x)∪Check(x)∪Out(x) (6)

其中：Slove(x)表示求解算子；

Search(x)表示查询算子，用以在数据集中搜索和获取计算所需数据；

Cal(x)表示数值计算算子，用以根据预定义的设计知识进行数值计算；

Check(x)表示校验算子，用以对当前求解对象的状态进行校验，以确定当前对象是否需要进行求解；

Out(x)表示输出算子，用以将求解结果输出。

所述的功能元内参数的求解迭代过程，会产生三种可能的结果。一类是已经确定的属性变量，这类属性通过查询算子在数据库中对经验知识、实验数据等数据集检索得到；一类是可以直接求解的属性变量，这类属性可根据预设的设计知识，通过数值计算算子利用传入的参数进行数值求解；一类是无法求解的属性变量，这类属性将作为设计过程中有待解决的问题变量，汇入参数流中，从而将参数的求解问题细化。

所述的功能元的分解和拓展，是指一个复杂的产品功能，可以由多个简单的功能组合而成。功能元在分解的过程中，参数由上级功能元传递给下级功能元。

所述的行为元内参数的传递、行为元的分解和拓展，其原理与功能元中参数传递及功能元的分解和拓展相同。

所述的产品结构映射是指使用功能层、行为层求解后的参数作为结构元的参数输入，通过参数驱动参数化模型表示框架生成产品实例的过程。实例化过程的一般表达式可表示为：

KIF(PF，P)＝KIFF(ABSO_Fs，P)∪KICF(ABSO_Cs，P) (7)

其中：KIF(PF，P)表示产品模型实例化算子；

PF表示当前产品参数化模型表示框架；

P表示前端的设计参数；这一过程也可视为对参数化模型表示框架中的抽象化的零部件对象和特征对象进行实例化的过程，即KICF(ABSO_Cs，P)和KIFF(ABSO_Fs，P)的并集。KIFF的一般表达式可表示：

其中：KIFF(ABSO_F

Slove(ABSO_F

As(ABSO_F

所述的KICF(ABSO_Cs，P)表示抽象化零部件对象的实例化。其原理与KIFF(ABSO_F

本发明的的优点是：

(1)以参数化模型表示框架来对某类产品从逻辑表达、图形表达、几何表达、语义表达几方面进行阐述，能够全面、精确的对参数化模型的构建过程进行描述。

(2)将设计知识、产品性能参数作为参数化模型构建的驱动源头,形成了广泛适用的建模规则，实现了基于设计知识的产品参数化模型的智能化的自动推理及构建。

(3)从功能原理角度对设计知识进行解析，使得模型生成方法的适用性大大提高。可通过对知识库的扩充，使参数化设计对象可以拓展至多种学科，满足工程应用中复杂系统的设计需求。

(4)利用设计知识直接实现自动化的产品详细参数化模型构建，建模过程灵活高效。

附图说明

下面结合实施例附图对本发明的具体实施方式详细说明：

图1是本发明一种知识驱动的电子设备机箱参数化模型自动生成方法流程说明图；

图2是本发明所提O

图3是电子设备机箱功能语义网络；

图4是电子设备机箱“需求-功能”参数传递示意。

图5是电子设备机箱“功能-行为”语义网络；

图6是电子设备机箱“功能-行为”参数传递示意。

图7是电子设备机箱参数化模型表示框架。

图8是电子设备机箱“功能-行为-结构”参数传递示意。

图9是生成的电子设备机箱模型实例。

具体实施方式

如图1所示，一种知识驱动的电子设备机箱参数化模型自动生成的方法，其特征是，至少包括如下步骤：

(2)建立描述机箱类产品拓扑结构的参数化模型表示框架，对机箱产品的模型进行抽象表示；

(3)建立功能元、行为元、结构元、参数元的产品知识库；

(4)以设计需求参数为输入，通过设计知识，实现将机箱产品的设计需求参数转化为产品功能表述，进行功能的拓展和分解，并对参数进行求解迭代后向行为层输出；

(5)以功能参数流为输入，通过设计知识，实现机箱产品的行为拓展和分解，并对参数进行求解迭代后向结构层输出；

(6)以行为参数流为输入，通过设计知识，实现机箱产品的结构映射，自动生成产品实例的参数化几何模型。

所述的建立描述机箱类产品拓扑结构的参数化模型表示框架是指：以模型表示框架对象将用来组成模型的零部件、特征等几何元素进行抽象表示，以对象间的关联关系来反映模型的几何拓扑结构，表示框架的结构是机箱类产品的抽象表示，即表达的是机箱类产品所具有的共性拓扑结构，参数化模型表示框架的一般表达式可表示为：

PF＝{KBCs，ABSO_Cs，ABSO_Fs，APCs，PARs} (1)

其中：PF表示参数化模型表示框架；

KBCs表示驱动约束描述集，是嵌入到参数化模型表示框架的知识表述；

ABSO_Cs表示抽象化的零部件对象集合；

ABSO_Fs表示抽象化的特征对象集合；

APCs表示对象间的几何关联关系；

PARs表示对象间的参数关联关联。

所述的以功能、行为、结构、参数层次划分机箱类产品的设计知识，是将产品的设计知识按照产品功能、产品行为、产品结构、产品参数划分为四个层面，分布是功能层、行为层、结构层、参数层。以“功能-行为-结构-参数”划分的设计知识的一般表达式可表示为：

O

其中：O

f(p)表示在参数驱动下的产品所能实现的功能目标；

b(p)表示在参数驱动下的实现产品功能的产品的物理行为；

s(p)表示在参数驱动下的产品的实际物理结构；

p表示产品性能参数以及产品性能参数经由知识推导而来的产品原理参数、几何结构参数等，用来驱动功能层、行为层、结构层。

所述的功能元是指构成产品功能语义网络的最小组成元素，是对能够完成产品某个功能需求的逻辑单元的抽象表示；功能元的一般表达式可表示为：

F＝{FAttrs，FParas，FAnnotations} (3)

其中：FAttrs表示功能属性集合，即与功能元相关的各类属性信息集合，例如：功能编号、功能名称、功能类型、创建者、应用环境、产品名称、操作人员、安全等级等；

FParas表示功能参数集合，即与功能元相关的各类参数变量的集合；

FAnnotations表示功能描述，即对功能元的详细描述，反映了功能元的功能实现目标。其采用了语义网络图进行结构化表示。

所述的行为元是指构成产品行为语义网络的最小组成元素，是对功能元的解读，其内容描述功能实现时，产品物理结构所执行工作的。行为元的一般表达式可表示为：

B＝{BAttrs，BParas，BAnnotations} (4)

其中：BAttrs表示行为属性集合，即与行为元的相关的各种属性信息的集合，例如：编号，名称…等。行为元属性集合在与行为元相关的推理操作过程中起到索引的作用；

BParas表示行为参数集合，即与行为元相关的参数集合。其结构与功能参数集合相似；

BAnnotations表示行为描述，即行为描述的语义网络图。对行为元的准确描述，反映了行为元的能够实现的动作或操作。与功能描述相同，采用语义网络图对其进行描述。

所述的结构元是指构成结构语义网络的最小组成元素，是描述产品几何模型的组成和关系；结构元由参数化模型表示框架进行表述。

参数元是指构成参数集的最小组成元素。参数元的一般表达式可表示为：

P＝{PAttrs，PObjects，POperation，PFunction，PStatus} (5)

其中：PAttrs表示参数属性集合，例如：编号，名称…等；

PObjects表示参数关联对象集合，用以表述参数所关联的对象，表述范围包括功能元、行为元、结构元；

POperation表示参数对象操作，用以表述参数元的操作。操作范围包含参数的查询、取值等；

PFunction表示参数关系方程，用以表述参数所蕴含的关系表达式；

PStatus表示参数的状态，用以表述参数当前的求解状态。

所述的设计需求参数是指由设计人员根据产品的预期设计目标，所确定的产品所具有性能指标参数，性能指标参数可视为产品的初始参数集合P0；将这些参数作为功能元输入参数传入功能元中，参数在功能元内部完成求解迭代，同时随着功能元的分解过程，对参数按照类型加以区分并继续传递。

参数求解的一般表达式：

Slove(x)＝Search(x)∪Cal(x)∪Check(x)∪Out(x) (6)

其中：Slove(x)表示求解算子；

Search(x)表示查询算子，用以在数据集中搜索和获取计算所需数据；

Cal(x)表示数值计算算子，用以根据预定义的设计知识进行数值计算；

Check(x)表示校验算子，用以对当前求解对象的状态进行校验，以确定当前对象是否需要进行求解；

Out(x)表示输出算子，用以将求解结果输出。

所述的功能元内参数的求解迭代过程，会产生三种可能的结果。一类是已经确定的属性变量，这类属性通过查询算子在数据库中对经验知识、实验数据等数据集检索得到；一类是可以直接求解的属性变量，这类属性可根据预设的设计知识，通过数值计算算子利用传入的参数进行数值求解；一类是无法求解的属性变量，这类属性将作为设计过程中有待解决的问题变量，汇入参数流中，从而将参数的求解问题细化。

所述的功能元的分解和拓展，是指一个复杂的产品功能，可以由多个简单的功能组合而成。功能元在分解的过程中，参数由上级功能元传递给下级功能元。

所述的行为元内参数的传递、行为元的分解和拓展，其原理与功能元中参数传递及功能元的分解和拓展相同。

所述的产品结构映射是指使用功能层、行为层求解后的参数作为结构元的参数输入，通过参数驱动参数化模型表示框架生成产品实例的过程。实例化过程的一般表达式可表示为：

KIF(PF，P)＝KIFF(ABSO_Fs，P)∪KICF(ABSO_Cs，P) (7)

其中：KIF(PF，P)表示产品模型实例化算子；

PF表示当前产品参数化模型表示框架；

P表示前端的设计参数；这一过程也可视为对参数化模型表示框架中的抽象化的零部件对象和特征对象进行实例化的过程，即KICF(ABSO_Cs，P)和KIFF(ABSO_Fs，P)的并集。KIFF的一般表达式可表示：

其中：KIFF(ABSO_F

Slove(ABSO_F

As(ABSO_F

所述的KICF(ABSO_Cs，P)表示抽象化零部件对象的实例化。其原理与KIFF(ABSO_F

图2为本发明提出的O

图3为本发明所提电子设备机箱的功能语义网络结构，在电子设备机箱的三个基本功能中，连接功能是保证机箱及其内部按照的模块单元正常工作的基础。对于机箱来说，连接功能包含了机箱与其他设备间的电气连接，以及机箱与机架间、自身结构件间的机械连接。连接功能的可靠与否将直接影响整个电子系统的可靠性。机箱作为机载电子设备的一部分，会面临各种严苛的工作环境，例如各种冲击、振动、高低温度、高低气压等等。这便要求机箱要能从结构角度入手，保证内部组件在各种工况下的正常工作。结构保护可分为温度方面的保护和强度方面的保护，本文仅讨论机箱结构的温度保护功能。最后，机箱作为模块单元的装载装置，其操作场景均为狭窄的机舱内部，从人机工程角度考虑必须要有简单易行的模块安装功能，同时要保证模块单元的安装稳固可靠。根据这些分析可以得到图3所示的电子设备机箱功能语义网络。

图4为参数元与功能元间的数据传递交互示意。按照接口的数据流向，可以将接口分为参数-功能输入接口I

图5为本发明所提电子设备机箱的“功能-行为”语义网络。依据原理性知识可以对其各个功能元进行“功能-行为”衍生。机箱的六个功能元转变为若干行为元，例如:机械连接功能转化为两种连接行为，一是结构件间的连接行为，二是箱体与模块单元间的连接行为。温度保护功能则转化为环境温升、温度校核、冷却等与温度控制相关的行为等。

图6为参数元与行为元间的数据交互示意。按照接口的数据流向，可以将接口分为参数-功能输入接口I

表1：模型温度保护行为参数表

通过行为元的拓展和参数的传递，实际环境温度PR

图7为本发明所提电子设备机箱的参数化模型表示框架，机箱通过机载箱体结构知识(经验类知识)，确定了模型由6块面板组成；根据需求装载模块单元数量和HB7704-2001标准(规范类知识)确定了机箱的外尺寸、内部导轨数量等；根据装机功率和热力学相关知识(原理性知识)，确定了机箱是否需要进行冷却，以及冷却系统的构成形式。实施实例机箱设计需求参数及实例几何参数，其参数如表2所示:

表2：实施例零件模型各设计特征及参数表

图8为参数元与结构元间的数据交互示意。参数通过参数-结构接口直接驱动生成实际的产品三维模型。当通过功能、行为层的参数求解确定了产品对冷却的需求，并确定了冷却形式后，这样的设计需求作为参数P1

上述实施过程通过将设计需求与设计知识进行求解迭代，并在求解迭代过程中，逐渐细化产品模型的细节，最后完成电子设备机箱参数化模型的自动生成。结果如图9所示。