基于行為流功能與行為耦合關(guān)系的建模方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供一種基于行為流功能與行為耦合關(guān)系的建模方法。利用功能和行為之間的耦合性來(lái)實(shí)現(xiàn)行為流的產(chǎn)品建模，形成建模的行為節(jié)點(diǎn)序列。本發(fā)明為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品建模的創(chuàng)新，以及設(shè)計(jì)的自動(dòng)化，提出了行為流的基本概念，以及依賴(lài)于該概念的功能與行為耦合關(guān)系求解，在求解的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品建模，并使用遺傳算法對(duì)產(chǎn)品建模的結(jié)果進(jìn)行擇優(yōu)，以便選取最優(yōu)解；通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)模型的實(shí)例創(chuàng)建表明，該方法可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品概念模型的自動(dòng)化設(shè)計(jì)以及創(chuàng)新。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于行為流功能與行為耦合關(guān)系的建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及產(chǎn)品建模領(lǐng)域，特別是涉及一種基于行為流功能與行為耦合關(guān)系的建模方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)技術(shù)的飛速發(fā)展，每個(gè)企業(yè)都面臨著持續(xù)多變的和不可預(yù)測(cè)的全球化市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，機(jī)械制造業(yè)亦是如此，然而如何在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中得以生存，最終還是歸結(jié)到產(chǎn)品的創(chuàng)新。由于概念設(shè)計(jì)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的第一階段，決定著產(chǎn)品的功能作用以及實(shí)現(xiàn)功能的結(jié)構(gòu)載體。有研究表明，產(chǎn)品價(jià)值的70%是由概念設(shè)計(jì)階段決定的，由此可見(jiàn)產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，但并不表明概念設(shè)計(jì)就一定能夠產(chǎn)生創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)方案[3]。創(chuàng)新的本質(zhì)在于用非常規(guī)的方法獲得具有新穎性的設(shè)計(jì)方案，為了得到具有新穎性的設(shè)計(jì)必須從不同的思維角度出發(fā)得到同一問(wèn)題的一系列解。
[0003]功能-行為-結(jié)構(gòu)(Function-Behavior-Structure)模型最早是由Qian 和 Gero所提出的，且對(duì)該模型進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，并給出了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，以及各映射空間之間的關(guān)系描述，如圖1所示。FBS這種設(shè)計(jì)框架結(jié)構(gòu)的合理性得到眾多研究者的認(rèn)可，但是通過(guò)這種框架結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品建模的創(chuàng)新理論卻不是很多。因此在面對(duì)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，如何能夠在短時(shí)間內(nèi)快速完成產(chǎn)品的升級(jí)以及研制能力變成了一家企業(yè)成功的首要任務(wù)。然而研究表明，在新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程中40%是重用過(guò)去的部件，40%是對(duì)已有部件的修改，20%為全新的設(shè)計(jì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]鑒于以上所述，本發(fā)明的目的在于提供一種基于行為流功能與行為耦合關(guān)系的建模方法，用于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品概念模型的自動(dòng)化設(shè)計(jì)以及創(chuàng)新。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種基于行為流功能與行為耦合關(guān)系的建模方法，利用功能和行為之間的耦合性來(lái)實(shí)現(xiàn)行為流的產(chǎn)品建模，形成建模的行為節(jié)點(diǎn)序列。
[0006]優(yōu)選地，利用功能和行為之間的耦合性來(lái)實(shí)現(xiàn)行為流的產(chǎn)品建模具體包括以下步驟:
[0007]步驟1:從功能庫(kù)中查找是否存在現(xiàn)成的行為可以實(shí)現(xiàn)此功能，如果沒(méi)有則到達(dá)第二步驟，如果有則進(jìn)行步驟三，并且將該子功能記入到產(chǎn)品建模的行為路徑中。
[0008]步驟2:將功能進(jìn)行分解，一直分解到每個(gè)子功能在功能庫(kù)中都存在，返回步驟I。
[0009]步驟3:根據(jù)輸入的行為以及相關(guān)的約束條件從行為庫(kù)中選擇對(duì)應(yīng)的行為，根據(jù)此行為輸出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)，并將該結(jié)構(gòu)記入到產(chǎn)品建模的行為路徑中。
[0010]步驟4:根據(jù)結(jié)構(gòu)以及約束條件從結(jié)構(gòu)庫(kù)中查詢(xún)出結(jié)構(gòu)表，根據(jù)結(jié)構(gòu)表判斷，該結(jié)構(gòu)是否為目標(biāo)結(jié)構(gòu)單元，如果是則直接退出，并且將相應(yīng)的結(jié)構(gòu)計(jì)入到產(chǎn)品建模的行為路徑中；否則輸出該結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的功能，進(jìn)入步驟I依次循環(huán)。[0011]優(yōu)選地，還包括以下步驟:使用遺傳算法，利用所述行為節(jié)點(diǎn)序列對(duì)行為流進(jìn)行重組擇優(yōu)，得到最優(yōu)的行為流建模路徑。
[0012]優(yōu)選地，使用遺傳算法，利用所述行為節(jié)點(diǎn)序列對(duì)行為流進(jìn)行重組擇優(yōu)，得到最優(yōu)的行為流建模路徑具體包括以下步驟:
[0013]I)對(duì)行為流進(jìn)行二進(jìn)制的編碼，從而獲得行為矩陣的基因編碼；
[0014]2)依次執(zhí)行選擇、交叉、變異的步驟；
[0015]3)確定算法評(píng)價(jià)函數(shù)及終止條件；得到的行為流序列即為最優(yōu)解。
[0016]優(yōu)選地，所述產(chǎn)品為發(fā)動(dòng)機(jī)。
[0017]優(yōu)選地，所述發(fā)動(dòng)機(jī)的總功能分為以下四個(gè)子功能組合完成，分別為:吸氣過(guò)程、壓縮過(guò)程、做功過(guò)程以及排氣過(guò)程。
[0018]如上所述，本發(fā)明在基于FBS模型的基礎(chǔ)上，提出了行為流建模，建立了功能模型，行為模型，使用知識(shí)模板為載體實(shí)現(xiàn)功能到行為的映射，以便達(dá)到快速建模的目的并來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的初步創(chuàng)新。
[0019]由于進(jìn)化設(shè)計(jì)借助自然智能的高速穩(wěn)健的優(yōu)化方法，通過(guò)設(shè)計(jì)模式之間的演化過(guò)程，體現(xiàn)出形象思維和創(chuàng)造性思維的特征，并獲得設(shè)計(jì)問(wèn)題的最優(yōu)解。與基于純粹邏輯推理方法的設(shè)計(jì)過(guò)程不同，進(jìn)化設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)進(jìn)化個(gè)體的隨機(jī)組合獲得試解，并通過(guò)并行大規(guī)模的演化搜索整個(gè)設(shè)計(jì)空間來(lái)獲得最優(yōu)解。遺傳算法在設(shè)計(jì)過(guò)程中的應(yīng)用不僅加快了設(shè)計(jì)速度，而且生成了很多創(chuàng)意性的產(chǎn)品，因此本發(fā)明使用了遺傳算法對(duì)行為流建模過(guò)程中的行為路徑進(jìn)行擇優(yōu)，以選取最優(yōu)解。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1顯示為本發(fā)明產(chǎn)品建模的初步模型示意圖。
[0021]圖2顯示為本發(fā)明行為描述與名稱(chēng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
[0022]圖3-6顯示為本發(fā)明具體實(shí)施例中四個(gè)沖程經(jīng)過(guò)計(jì)算后的結(jié)果圖。
[0023]【具體實(shí)施方式】
[0024]以下通過(guò)特定的具體實(shí)例說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說(shuō)明書(shū)所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過(guò)另外不同的【具體實(shí)施方式】加以實(shí)施或應(yīng)用，本說(shuō)明書(shū)中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒(méi)有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。
[0025]請(qǐng)參閱圖2至6。需要說(shuō)明的是，本實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說(shuō)明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時(shí)的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時(shí)各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。
[0026]行為流產(chǎn)品建模
[0027]在產(chǎn)品建模設(shè)計(jì)過(guò)程中，產(chǎn)品的需求會(huì)直接抽象為需要實(shí)現(xiàn)的功能，而行為的略微改變可以直接造成功能性的改變，由此可見(jiàn)行為在整個(gè)產(chǎn)品建模中起著非常重要的作用。本發(fā)明主要從行為流的角度來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的建模，結(jié)合行為流的理念，一方面可以自上而下的對(duì)行為進(jìn)行分解，通過(guò)行為功能的映射來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的功能，另一方面可以對(duì)一些行為元進(jìn)行組合分析重新設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的創(chuàng)新。這兩種辦法可以同時(shí)實(shí)施，減少設(shè)計(jì)建模過(guò)程中的重復(fù)性勞動(dòng)，從而提高效率縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。
[0028]行為流建模的基本概念
[0029]在進(jìn)一步闡述行為流建模之前，首先對(duì)文中所設(shè)計(jì)的基本概念給出解釋?zhuān)o予定義。行為
[0030]行為(Behavior)是構(gòu)成產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)方案的基本運(yùn)動(dòng)原理，表現(xiàn)為各個(gè)原理構(gòu)建的基本運(yùn)動(dòng)行為。原理及其行為是功能到物理結(jié)構(gòu)的橋梁，功能與結(jié)構(gòu)之間不存在直接的映射，需要通過(guò)行為來(lái)起作用。
[0031]由于行為是一個(gè)抽象的概念，表象為物體的運(yùn)動(dòng)。而功能可以看作成為能量流的輸入到能量流的輸出，那么作為功能的完成所消耗的能量即為作用于該結(jié)構(gòu)的力F所做的功，又因?yàn)樾袨榈倪\(yùn)動(dòng)軌跡由加速度a所決定，由牛頓的第二定律可得F=ma，其中m為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，a為加速度。由于質(zhì)量為靜態(tài)的，不可變的故行為運(yùn)動(dòng)軌跡可由作用于其結(jié)構(gòu)所受的力決定，因此我們?cè)诖耸褂昧作為行為的具體表現(xiàn)形式。
[0032]又由于行為存在簡(jiǎn)單行為以及復(fù)雜行為,在本發(fā)明中我們將行為分為行為元與復(fù)雜行為。它們的相關(guān)定義如下:
[0033]行為元(Behavior Unit)是指結(jié)構(gòu)在某個(gè)時(shí)刻受到力F的作用沿三維空間運(yùn)動(dòng)軌跡所表示的行為稱(chēng)之為行為元。
[0034]復(fù)雜行為(Complicated Behavior)是指可由一系列行為元由于時(shí)間或者空間的先后順序所進(jìn)行的串聯(lián)或并聯(lián)等組合成的行為。
[0035]則我們可將任意一個(gè)行為B (t)可用下面的數(shù)學(xué)表達(dá)式所表示:
[0036]
【權(quán)利要求】
1.一種基于行為流功能與行為耦合關(guān)系的建模方法，其特征在于，該方法至少包括以下步驟: 利用功能和行為之間的耦合性來(lái)實(shí)現(xiàn)行為流的產(chǎn)品建模，形成建模的行為節(jié)點(diǎn)序列。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于行為流功能與行為耦合關(guān)系的建模方法，其特征在于:利用功能和行為之間的耦合性來(lái)實(shí)現(xiàn)行為流的產(chǎn)品建模具體包括以下步驟: 步驟1:從功能庫(kù)中查找是否存在現(xiàn)成的行為可以實(shí)現(xiàn)此功能，如果沒(méi)有則到達(dá)第二步驟，如果有則進(jìn)行步驟三，并且將該子功能記入到產(chǎn)品建模的行為路徑中。 步驟2:將功能進(jìn)行分解，一直分解到每個(gè)子功能在功能庫(kù)中都存在，返回步驟I。 步驟3:根據(jù)輸入的行為以及相關(guān)的約束條件從行為庫(kù)中選擇對(duì)應(yīng)的行為，根據(jù)此行為輸出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)，并將該結(jié)構(gòu)記入到產(chǎn)品建模的行為路徑中。 步驟4:根據(jù)結(jié)構(gòu)以及約束條件從結(jié)構(gòu)庫(kù)中查詢(xún)出結(jié)構(gòu)表，根據(jù)結(jié)構(gòu)表判斷，該結(jié)構(gòu)是否為目標(biāo)結(jié)構(gòu)單元，如果是則直接退出，并且將相應(yīng)的結(jié)構(gòu)計(jì)入到產(chǎn)品建模的行為路徑中；否則輸出該結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的功能，進(jìn)入步驟I依次循環(huán)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于行為流功能與行為耦合關(guān)系的建模方法，其特征在于，還包括以下步驟:使用遺傳算法，利用所述行為節(jié)點(diǎn)序列對(duì)行為流進(jìn)行重組擇優(yōu)，得到最優(yōu)的行為流建模路徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于行為流功能與行為耦合關(guān)系的建模方法，其特征在于，使用遺傳算法，利用所述行為節(jié)點(diǎn)序列對(duì)行為流進(jìn)行重組擇優(yōu)，得到最優(yōu)的行為流建模路徑具體包括以下步驟: 1)對(duì)行為流進(jìn)行二進(jìn)制的編碼，從而獲得行為矩陣的基因編碼； 2)依次執(zhí)行選擇、交叉、變異的步驟； 3)確定算法評(píng)價(jià)函數(shù)及終止條件；得到的行為流序列即為最優(yōu)解。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于行為流功能與行為耦合關(guān)系的建模方法，其特征在于，所述產(chǎn)品為發(fā)動(dòng)機(jī)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于行為流功能與行為耦合關(guān)系的建模方法，其特征在于，所述發(fā)動(dòng)機(jī)的總功能分為以下四個(gè)子功能組合完成，分別為:吸氣過(guò)程、壓縮過(guò)程、做功過(guò)程以及排氣過(guò)程。
【文檔編號(hào)】G06N3/12GK103729492SQ201310471429
【公開(kāi)日】2014年4月16日 申請(qǐng)日期:2013年10月10日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月10日
【發(fā)明者】郝泳濤, 樓狄明, 王力生 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)