一種面向產(chǎn)品設(shè)計更改的傳染病動力學演化建模方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種面向產(chǎn)品設(shè)計更改的傳染病動力學演化建模方法，包括以下步驟：S1：將復雜產(chǎn)品劃分為多個零件，建立復雜產(chǎn)品中零件之間的關(guān)系矩陣；S2：根據(jù)關(guān)系矩陣，建立兩個零件中特征之間關(guān)系的相關(guān)特征矩陣；S3：根據(jù)每個零件中各特征之間關(guān)系建立自特征矩陣；S4：獲取復雜產(chǎn)品中發(fā)生變化的零件，以及發(fā)生變化的零件中對應(yīng)更改的特征，建立傳染矩陣；S5：將傳染矩陣和相關(guān)特征矩陣相乘后獲得相關(guān)痊愈矩陣，將傳染矩陣和自特征矩陣相乘后獲得自痊愈矩陣。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明利用傳染矩陣等數(shù)學公式定量描述復雜產(chǎn)品，從零件級和裝配級兩個方面計算產(chǎn)品信息量，簡化傳統(tǒng)產(chǎn)品模型設(shè)計的復雜度，達到智能設(shè)計與進化的目的。
【專利說明】
一種面向產(chǎn)品設(shè)計更改的傳染病動力學演化建模方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及計算機應(yīng)用領(lǐng)域、工程設(shè)計開發(fā)領(lǐng)域以及產(chǎn)品智能設(shè)計領(lǐng)域，尤其是 涉及一種面向產(chǎn)品設(shè)計更改的傳染病動力學演化建模方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 產(chǎn)品系統(tǒng)是一個開放系統(tǒng)，它能接受外界的能量和物質(zhì)，從而在系統(tǒng)失去平衡時 能進行自我調(diào)整、自我修復。當外界環(huán)境對產(chǎn)品的功能或者結(jié)構(gòu)做出調(diào)整時，產(chǎn)品系統(tǒng)的穩(wěn) 定性被破壞，它能及時的進行自恢復，經(jīng)過系統(tǒng)內(nèi)部各類協(xié)同操作，從失衡態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N 穩(wěn)定態(tài)。所以，產(chǎn)品系統(tǒng)具有穩(wěn)定態(tài)和恢復態(tài)。當產(chǎn)品處于穩(wěn)定態(tài)時，系統(tǒng)的有序化程度是 最高的；當產(chǎn)品處于恢復態(tài)時，系統(tǒng)的無序化程度較高。復雜產(chǎn)品設(shè)計更改的傳播是一個系 統(tǒng)特征量，可以作為復雜產(chǎn)品設(shè)計的評鑒指標。
[0003] 復雜產(chǎn)品的設(shè)計更改關(guān)系網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)是一個復雜網(wǎng)絡(luò)。就是把的復雜產(chǎn)品所劃分 的產(chǎn)品種群對應(yīng)成一個復雜網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)品種群中的子元素定義成復雜網(wǎng)絡(luò)中的頂點，而子元 素之間的設(shè)計更改傳播關(guān)系則定義為復雜網(wǎng)絡(luò)中的有向邊。
[0004] 雖然產(chǎn)品設(shè)計過程和復雜系統(tǒng)的研究己日趨成熟，但二者的結(jié)合一一復雜產(chǎn)品的 設(shè)計過程方面研究并不深入。無論是基于知識模板的復雜產(chǎn)品設(shè)計重用方法、基于結(jié)構(gòu)建 模方法的復雜產(chǎn)品設(shè)計過程規(guī)劃、還是面向復雜產(chǎn)品設(shè)計的基于組件的概念模型，都是以 功能為核心，通過功能引導結(jié)構(gòu)的方式建模，并沒有考慮中問過程，即在設(shè)計過程中逐步添 加和更改功能時會引起怎樣的復雜性演化。在設(shè)計類似產(chǎn)品時，也就無法做到設(shè)計方法和 經(jīng)驗的借鑒，降低了設(shè)計效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種面向產(chǎn)品設(shè)計 更改的傳染病動力學演化建模方法，利用傳染矩陣等數(shù)學公式定量描述復雜產(chǎn)品，從零件 級和裝配級兩個方面計算產(chǎn)品信息量，簡化傳統(tǒng)產(chǎn)品模型設(shè)計的復雜度，達到智能設(shè)計與 進化的目的。
[0006] 本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：
[0007] -種面向產(chǎn)品設(shè)計更改的傳染病動力學演化建模方法包括以下步驟：
[0008] S1:將復雜產(chǎn)品劃分為多個零件，建立復雜產(chǎn)品中零件之間的關(guān)系矩陣，關(guān)系矩陣 中每個元素表示零件之間是否存在關(guān)系；
[0009] S2:根據(jù)關(guān)系矩陣，建立兩個零件中特征之間關(guān)系的相關(guān)特征矩陣，相關(guān)特征矩陣 中每個元素表示兩個零件中相應(yīng)特征之間的關(guān)系；
[0010] S3:根據(jù)每個零件中各特征之間關(guān)系建立自特征矩陣，自特征矩陣中每個元素表 示單個零件中相應(yīng)特征之間的關(guān)系；
[0011] S4:獲取復雜產(chǎn)品中發(fā)生變化的零件，以及發(fā)生變化的零件中對應(yīng)更改的特征，建 立傳染矩陣，滿足以下公式：
[0012] VM. = [vlp]ixm ,1 <p <
[0013]式中，VMi表示發(fā)生變化的第i個零件Vi的傳染矩陣，mi表示Vi中特征的個數(shù)，Vi,p表 示vi中第P個特征是否更改，Vi,p = 〇表示特征未更改，Vi,p=1表示特征發(fā)生更改；
[0014] S5:將傳染矩陣和相關(guān)特征矩陣相乘后獲得相關(guān)痊愈矩陣，相關(guān)痊愈矩陣中非零 值的元素與受影響的零件中所需更改的特征相對應(yīng)，將傳染矩陣和自特征矩陣相乘后獲得 自痊愈矩陣，自痊愈矩陣中非零值的元素與發(fā)生變化的零件中所需更改的特征相對應(yīng)。
[0015] 以上構(gòu)建的相關(guān)特征矩陣、自特征矩陣、傳染矩陣、相關(guān)痊愈矩陣和自痊愈矩陣構(gòu) 成傳染病動力學演化模型。
[0016] 所述復雜產(chǎn)品中零件與零件之間的關(guān)系矩陣RM滿足以下公式：
[0017] RM= [Ri, j]nxn, l^i^n, 1^ j^n
[1 若 <%，、>_0)
[0018] Rid ，：J [0 右
[0019]式中，n表示復雜產(chǎn)品內(nèi)零件的個數(shù)，Ri,j表示第i個零件Vi與第j個零件vj之間的關(guān) 系<Vl，，〇表示兩個零件之間無直接關(guān)系，1表示兩個零件之間存在直接關(guān)系，E(G)表示復 雜產(chǎn)品內(nèi)零件之間的邊集。
[0020] 所述第i個零件Vl與第j個零件中特征之間關(guān)系的相關(guān)特征矩陣CM^滿足以下公 式：
[0021] CMjj - ^p,q： 5^ - P - ini , 1Sq<liij ?J=L<vi,vj>GE(G) ^ . . -III, /nXII j
[0022] 式中，表示中特征的個數(shù)，WP,q表示Vl中第p個特征與巧中第q個特征之間的關(guān) 系，Wp,q = 0表示兩個特征之間無直接關(guān)系，Wp,q#0表示兩個特征之間有定量關(guān)系，<Vi，Vj>表 示第i個零件Vl與第j個零件W之間的關(guān)系，E(G)表示復雜產(chǎn)品內(nèi)零件之間的邊集；
[0023] 所述第i個零件Vl中各特征之間關(guān)系的自特征矩陣Tit滿足以下公式： 「00241 TM, = H , 1 < a < m, ,K. b < uij
[0025] 式中，Wa,b表示Vi中第a個特征與第b個特征之間的關(guān)系，w a,b = 0表示兩個特征之間 無直接關(guān)系，wa,b辛0表示兩個特征之間有定量關(guān)系。
[0026] 所述兩個特征之間的定量關(guān)系包括相鄰、共面交、非共面交、共面含、非共面含和 From-To〇
[0027] 所述步驟S5之后還包括步驟S6:根據(jù)相關(guān)痊愈矩陣獲得受影響的零件中所需更改 的特征，根據(jù)自痊愈矩陣獲得發(fā)生變化的零件中所需更改的特征，對獲得的受影響的零件 中所需更改的特征和發(fā)生變化的零件中所需更改的特征進行更改，重復步驟S4和S5,遍歷 到復雜產(chǎn)品中的所有零件后結(jié)束。
[0028] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：
[0029] 1)為了降低傳統(tǒng)產(chǎn)品模型設(shè)計的復雜度，本發(fā)明在傳染病動力學演化模型中對產(chǎn) 品復雜網(wǎng)絡(luò)的傳播模式做出更改，并給出相關(guān)特征矩陣、自特征矩陣、傳染矩陣、相關(guān)痊愈 矩陣和自痊愈矩陣等定義，利用傳染矩陣等數(shù)學公式定量描述復雜產(chǎn)品，進而反應(yīng)產(chǎn)品元 在物質(zhì)、能量、信息的交換和傳遞，達到智能設(shè)計與進化的目的。
[0030] 2)本發(fā)明通過遍歷計算復雜產(chǎn)品中的所有零件對應(yīng)的自痊愈矩陣和相關(guān)痊愈矩 陣，完成從零件級和裝配級兩個方面計算產(chǎn)品信息量，簡化傳統(tǒng)產(chǎn)品模型設(shè)計的復雜度，提 尚復雜廣品設(shè)計效率。
【附圖說明】
[0031] 圖1為本發(fā)明方法流程圖；
[0032] 圖2為發(fā)動機結(jié)構(gòu)中活塞銷與連桿之間的關(guān)系圖。
【具體實施方式】
[0033]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。本實施例以本發(fā)明技術(shù)方案 為前提進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于 下述的實施例。
[0034] 如圖1所示，一種面向產(chǎn)品設(shè)計更改的傳染病動力學演化建模方法包括以下步驟：
[0035] S1:通過體素構(gòu)造（CSG:Constructive Solid Geometry)法建立復雜產(chǎn)品的復雜 網(wǎng)絡(luò)，復雜網(wǎng)絡(luò)包括復雜產(chǎn)品劃分的多個零件以及零件之間的邊集E(G)，根據(jù)復雜網(wǎng)絡(luò)建 立復雜產(chǎn)品中零件之間的關(guān)系矩陣，關(guān)系矩陣中每個元素表示零件之間是否存在關(guān)系。
[0036] 復雜產(chǎn)品中零件與零件之間的關(guān)系矩陣RM滿足以下公式：
[0037] RM= [Ri, j]nxn, l^i^n, 1^ j^n
[1 若 <V,，Vj>GE(G)
[0038] Ru=\ ^ J
[0 若 <Vl，Vj>gE(G)
[0039] 式中，n表示復雜產(chǎn)品內(nèi)零件的個數(shù)，Ri,j表示第i個零件Vi與第j個零件Vj之間的關(guān) 系〈Vi, vj>，0表示兩個零件之間無直接關(guān)系，1表示兩個零件之間存在直接關(guān)系。
[0040] S2:根據(jù)關(guān)系矩陣，建立兩個零件中特征之間關(guān)系的相關(guān)特征矩陣，相關(guān)特征矩陣 中每個元素表示兩個零件中相應(yīng)特征之間的關(guān)系。相關(guān)特征矩陣可以反應(yīng)零件級別上產(chǎn)品 信息量。
[0041] 第i個零件Vl與第j個零件中特征之間關(guān)系的相關(guān)特征矩陣CM^滿足以下公式：
[0042] CMjj = ,l<p<mi ,l<q<mj s^.<vi,vj>GE(G)
[0043]式中，mi表示Vi中特征的個數(shù)，mj表示Vj中特征的個數(shù)，Wp,q表示Vi中第p個特征與Vj 中第q個特征之間的關(guān)系，WP,q = 0表示兩個特征之間無直接關(guān)系，WP,q辛0表示兩個特征之間 有定量關(guān)系，表示第i個零件 Vl與第j個零件W之間的關(guān)系，E(G)表示復雜產(chǎn)品內(nèi)零 件之間的邊集。
[0044]其中，兩個特征之間的定量關(guān)系包括相離、相鄰、共面交、非共面交、共面含、非共 面含和From-To,分別對應(yīng)用0-6的數(shù)值表示，相離表示兩特征所占據(jù)的空間彼此分離，無公 共空間，即無直接關(guān)系，相鄰表示兩特征有公共平面且總占據(jù)空間為兩特征占據(jù)空間之和， 共面交表示兩特征空間相交且有公共平面，非共面交表示兩特征空間相交且無公共平面， 共面含表示一特征位于另一特征內(nèi)部，且兩特征有一個或幾個公共平面，非共面含表示一 特征完全位于另一特征內(nèi)部，兩特征既無公共平面又不相交，F(xiàn)rom-To表示該特征與和它定 義相關(guān)的一個或兩個特征的關(guān)系為相抵關(guān)系。
[0045] S3:根據(jù)每個零件中各特征之間關(guān)系建立自特征矩陣，自特征矩陣中每個元素表 示單個零件中相應(yīng)特征之間的關(guān)系。復雜產(chǎn)品的特征關(guān)系不是一成不變的，當復雜產(chǎn)品處 于運動狀態(tài)，其零件內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征發(fā)生變化，因此，設(shè)計自特征矩陣可以反應(yīng)裝配級別上產(chǎn) 品信息量。
[0046] 第i個零件Vl中各特征之間關(guān)系的自特征矩陣Tit滿足以下公式：
[0047] TM^[wa；b]mjXmi ^^<1^
[0048] 式中，wa,b表示Vi中第a個特征與第b個特征之間的關(guān)系，w a,b = 0表示兩個特征之間 無直接關(guān)系，wa,b辛0表示兩個特征之間有定量關(guān)系。
[0049] S4:當復雜產(chǎn)品中某一零件發(fā)生變化時，獲取發(fā)生變化的零件以及發(fā)生變化的零 件中對應(yīng)更改的特征，建立傳染病動力學演化模型的傳染矩陣，滿足以下公式：
[0050] VMX = [VliP]ix^ ,1 < p < m,
[0051 ]式中，VMi表示發(fā)生變化的第i個零件Vi的傳染矩陣，nu表示Vi中特征的個數(shù)，V1>P表 示Vi中第P個特征是否更改，Vi,p = 〇表示特征未更改，Vi,p=l表示特征發(fā)生更改。
[0052] S5:通過關(guān)系矩陣獲取與發(fā)生變化的零件相關(guān)聯(lián)零件的信息以及對應(yīng)的相關(guān)特征 矩陣，將傳染矩陣和相關(guān)特征矩陣相乘后獲得相關(guān)痊愈矩陣，相關(guān)痊愈矩陣中非零值的元 素與受影響的零件中所需更改的特征相對應(yīng)，將發(fā)生變化的零件的傳染矩陣和自特征矩陣 相乘后獲得自痊愈矩陣，自痊愈矩陣中非零值的元素與發(fā)生變化的零件中所需更改的特征 相對應(yīng)。
[0053]第i個零件Vi對第j個零件Vj的相關(guān)痊愈矩陣RMij滿足以下公式：
[0054] RMy = VMj x CM- = Tj
[0055] RMij中第q個元素 rq對應(yīng)第j個零件Vj中第q個特征，若rq = 0，第j個零件Vj中第q個 特征無需更改，若rq#0,第j個零件vj中第q個特征需要更改。
[0056]第i個零件Vi的自痊愈矩陣RMi滿足以下公式：
[0057] RMj = ￥Mj x TM：i = r \, r'2,..r'p ,：r'^.
[0058] RMi中第p個元素 r ' P對應(yīng)零件Vi中第p個特征，若r ' P = 0，零件Vi中第p個特征無需更 改，若r ' P辛0，零件Vi中第p個特征需要更改。
[0059] S6:根據(jù)相關(guān)痊愈矩陣獲得受影響的零件中所需更改的特征，根據(jù)自痊愈矩陣獲 得發(fā)生變化的零件中所需更改的特征，對獲得的受影響的零件中所需更改的特征和發(fā)生變 化的零件中所需更改的特征進行更改，重復步驟S4和S5,遍歷到復雜產(chǎn)品中的所有零件后 結(jié)束。
[0060] 以上構(gòu)建的相關(guān)特征矩陣、自特征矩陣、傳染矩陣、相關(guān)痊愈矩陣和自痊愈矩陣構(gòu) 成傳染病動力學演化模型。
[0061 ]本實施例中，以其中的曲柄連桿機構(gòu)為研究對象。曲柄連桿機構(gòu)主要由活塞、連桿 和曲軸三大主件以及氣環(huán)、油環(huán)、連桿蓋等附件構(gòu)成。其最主要的功能就是將燃料燃燒時產(chǎn) 生的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)榛钊鶑瓦\動的機械能，再轉(zhuǎn)變?yōu)榍S旋轉(zhuǎn)運動而對外輸出動力。所以，曲 柄連桿機構(gòu)的總功能是能量轉(zhuǎn)換或動力輸出，由各類執(zhí)行零件、傳動零件和定位零件有機 組合完成該功能。在整體的發(fā)動機運作來看，該機構(gòu)還離不開兩種重要的介質(zhì)，即氣體和汽 油。這些介質(zhì)的存在導致產(chǎn)品的設(shè)計需要考慮添加特定的零件或者結(jié)構(gòu)對介質(zhì)進行操作。 [0062] 如在發(fā)動機結(jié)構(gòu)中，活塞銷用PUA表示，連桿用表示PUB，活塞銷和連桿之間的特征 及其特征關(guān)系如圖2和表1所示。
[0063]表1活塞銷與連桿特征表
[0065] 根據(jù)表1，得到活塞銷的特征依次順序為活塞銷外徑？A.、活塞銷內(nèi)徑dA、活塞銷長 度1a，連桿的特征依次順序為連桿小頭直徑9 B、連桿長度1B、連桿大頭直徑dB，其中，活塞銷 內(nèi)徑dA與連桿小頭直徑9 b存在非共面含的關(guān)系，則活塞銷和連桿的相關(guān)特征矩陣表示為： 0 5 0
[0066] CMAB = 5 0 0 0 〇 0
[0067] 此時，若系統(tǒng)環(huán)境更改，活塞銷的內(nèi)徑發(fā)生變化，根據(jù)傳染病動力學演化模型計 算，可得活塞銷的傳染矩陣：
[0068] VMa=[0 1 0]
[0069]當系統(tǒng)設(shè)計更改信息在系統(tǒng)復雜網(wǎng)絡(luò)上傳播時，此時遍歷所有與氣缸器相關(guān)的零 件，如連桿，通過傳染矩陣VMa與特征矩陣CMab的乘積，得到活塞銷對連桿的相關(guān)痊愈矩陣 RMab：
[0070] RMab = VMaXCMab=[5 0 0]
[0071] 從RMab的第一個元素非零可得到，對應(yīng)的連桿第一個特征:連桿小頭直徑需要發(fā)生 設(shè)計更改，同根據(jù)表1的特征關(guān)系相一致，即連桿小頭直徑發(fā)生更改以適應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計更改變 化。
[0072] 同理獲取活塞銷的自特征矩陣，將傳染矩陣VMa與活塞銷的自特征矩陣相乘后獲 得自痊愈矩陣，根據(jù)自痊愈矩陣的第一個元素非零可以知道，活塞銷的第一個特征:活塞銷 外徑需要發(fā)送設(shè)計更改。
【主權(quán)項】
1. 一種面向產(chǎn)品設(shè)計更改的傳染病動力學演化建模方法，其特征在于，包括以下步驟： S1:將復雜產(chǎn)品劃分為多個零件，建立復雜產(chǎn)品中零件之間的關(guān)系矩陣，關(guān)系矩陣中每 個元素表示零件之間是否存在關(guān)系； S2:根據(jù)關(guān)系矩陣，建立兩個零件中特征之間關(guān)系的相關(guān)特征矩陣，相關(guān)特征矩陣中每 個元素表示兩個零件中相應(yīng)特征之間的關(guān)系； S3:根據(jù)每個零件中各特征之間關(guān)系建立自特征矩陣，自特征矩陣中每個元素表示單 個零件中相應(yīng)特征之間的關(guān)系； S4:獲取復雜產(chǎn)品中發(fā)生變化的零件，以及發(fā)生變化的零件中對應(yīng)更改的特征，建立傳 染矩陣，滿足以下公式：式中，VMi表示發(fā)生變化的第i個零件Vi的傳染矩陣，mi表示Vi中特征的個數(shù)，Vi,P表示Vi 中第P個特征是否更改，Vi,p = 〇表示特征未更改，Vi,p = 1表示特征發(fā)生更改； S5:將傳染矩陣和相關(guān)特征矩陣相乘后獲得相關(guān)痊愈矩陣，相關(guān)痊愈矩陣中非零值的 元素與受影響的零件中所需更改的特征相對應(yīng)，將傳染矩陣和自特征矩陣相乘后獲得自痊 愈矩陣，自痊愈矩陣中非零值的元素與發(fā)生變化的零件中所需更改的特征相對應(yīng)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向產(chǎn)品設(shè)計更改的傳染病動力學演化建模方法，其特 征在于，所述復雜產(chǎn)品中零件與零件之間的關(guān)系矩陣RM滿足以下公式： RM= [Ri, j]nxn, 1^： j^n式中，n表示復雜產(chǎn)品內(nèi)零件的個數(shù)，表示第i個零件Vl與第j個零件之間的關(guān)系〈 Vl，^>，〇表示兩個零件之間無直接關(guān)系，1表示兩個零件之間存在直接關(guān)系，E(G)表示復雜 產(chǎn)品內(nèi)零件之間的邊集。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向產(chǎn)品設(shè)計更改的傳染病動力學演化建模方法，其特 征在于，所述第i個零件Vl與第j個零件v沖特征之間關(guān)系的相關(guān)特征矩陣CM^滿足以下公 式：式中，mj表示vj中特征的個數(shù)，WP,q表示Vi中第p個特征與vj中第q個特征之間的關(guān)系，W P,q =0表示兩個特征之間無直接關(guān)系，WP,q辛0表示兩個特征之間有定量關(guān)系，<Vl， Vj>表示第i 個零件Vl與第j個零件之間的關(guān)系，E(G)表示復雜產(chǎn)品內(nèi)零件之間的邊集； 所述第i個零件Vl中各特征之間關(guān)系的自特征矩陣Tit滿足以下公式：式中，wa,b表示Vi中第a個特征與第b個特征之間的關(guān)系，w a,b = 0表示兩個特征之間無直 接關(guān)系，表示兩個特征之間有定量關(guān)系。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種面向產(chǎn)品設(shè)計更改的傳染病動力學演化建模方法，其特 征在于，兩個特征之間的定量關(guān)系包括相鄰、共面交、非共面交、共面含、非共面含和From- Too5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向產(chǎn)品設(shè)計更改的傳染病動力學演化建模方法，其特 征在于，所述步驟S5之后還包括步驟S6:根據(jù)相關(guān)痊愈矩陣獲得受影響的零件中所需更改 的特征，根據(jù)自痊愈矩陣獲得發(fā)生變化的零件中所需更改的特征，對獲得的受影響的零件 中所需更改的特征和發(fā)生變化的零件中所需更改的特征進行更改，重復步驟S4和S5,遍歷 到復雜產(chǎn)品中的所有零件后結(jié)束。
【文檔編號】G06F17/50GK105930556SQ201610223551
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月12日
【發(fā)明人】郝泳濤, 張偉
【申請人】同濟大學