一种面向产品设计更改的传染病动力学演化建模方法
【专利摘要】本发明涉及一种面向产品设计更改的传染病动力学演化建模方法，包括以下步骤：S1：将复杂产品划分为多个零件，建立复杂产品中零件之间的关系矩阵；S2：根据关系矩阵，建立两个零件中特征之间关系的相关特征矩阵；S3：根据每个零件中各特征之间关系建立自特征矩阵；S4：获取复杂产品中发生变化的零件，以及发生变化的零件中对应更改的特征，建立传染矩阵；S5：将传染矩阵和相关特征矩阵相乘后获得相关痊愈矩阵，将传染矩阵和自特征矩阵相乘后获得自痊愈矩阵。与现有技术相比，本发明利用传染矩阵等数学公式定量描述复杂产品，从零件级和装配级两个方面计算产品信息量，简化传统产品模型设计的复杂度，达到智能设计与进化的目的。
【专利说明】
一种面向产品设计更改的传染病动力学演化建模方法
技术领域
[0001] 本发明涉及计算机应用领域、工程设计开发领域以及产品智能设计领域，尤其是 涉及一种面向产品设计更改的传染病动力学演化建模方法。
【背景技术】
[0002] 产品系统是一个开放系统，它能接受外界的能量和物质，从而在系统失去平衡时 能进行自我调整、自我修复。当外界环境对产品的功能或者结构做出调整时，产品系统的稳 定性被破坏，它能及时的进行自恢复，经过系统内部各类协同操作，从失衡态转变为另一种 稳定态。所以，产品系统具有稳定态和恢复态。当产品处于稳定态时，系统的有序化程度是 最高的；当产品处于恢复态时，系统的无序化程度较高。复杂产品设计更改的传播是一个系 统特征量，可以作为复杂产品设计的评鉴指标。
[0003] 复杂产品的设计更改关系网络的本质是一个复杂网络。就是把的复杂产品所划分 的产品种群对应成一个复杂网络，产品种群中的子元素定义成复杂网络中的顶点，而子元 素之间的设计更改传播关系则定义为复杂网络中的有向边。
[0004] 虽然产品设计过程和复杂系统的研究己日趋成熟，但二者的结合一一复杂产品的 设计过程方面研究并不深入。无论是基于知识模板的复杂产品设计重用方法、基于结构建 模方法的复杂产品设计过程规划、还是面向复杂产品设计的基于组件的概念模型，都是以 功能为核心，通过功能引导结构的方式建模，并没有考虑中问过程，即在设计过程中逐步添 加和更改功能时会引起怎样的复杂性演化。在设计类似产品时，也就无法做到设计方法和 经验的借鉴，降低了设计效率。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种面向产品设计 更改的传染病动力学演化建模方法，利用传染矩阵等数学公式定量描述复杂产品，从零件 级和装配级两个方面计算产品信息量，简化传统产品模型设计的复杂度，达到智能设计与 进化的目的。
[0006] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0007] -种面向产品设计更改的传染病动力学演化建模方法包括以下步骤：
[0008] S1:将复杂产品划分为多个零件，建立复杂产品中零件之间的关系矩阵，关系矩阵 中每个元素表示零件之间是否存在关系；
[0009] S2:根据关系矩阵，建立两个零件中特征之间关系的相关特征矩阵，相关特征矩阵 中每个元素表示两个零件中相应特征之间的关系；
[0010] S3:根据每个零件中各特征之间关系建立自特征矩阵，自特征矩阵中每个元素表 示单个零件中相应特征之间的关系；
[0011] S4:获取复杂产品中发生变化的零件，以及发生变化的零件中对应更改的特征，建 立传染矩阵，满足以下公式：
[0012] VM. = [vlp]ixm ,1 <p <
[0013]式中，VMi表示发生变化的第i个零件Vi的传染矩阵，mi表示Vi中特征的个数，Vi,p表 示vi中第P个特征是否更改，Vi,p = 〇表示特征未更改，Vi,p=1表示特征发生更改；
[0014] S5:将传染矩阵和相关特征矩阵相乘后获得相关痊愈矩阵，相关痊愈矩阵中非零 值的元素与受影响的零件中所需更改的特征相对应，将传染矩阵和自特征矩阵相乘后获得 自痊愈矩阵，自痊愈矩阵中非零值的元素与发生变化的零件中所需更改的特征相对应。
[0015] 以上构建的相关特征矩阵、自特征矩阵、传染矩阵、相关痊愈矩阵和自痊愈矩阵构 成传染病动力学演化模型。
[0016] 所述复杂产品中零件与零件之间的关系矩阵RM满足以下公式：
[0017] RM= [Ri, j]nxn, l^i^n, 1^ j^n
[1 若 <%，、>_0)
[0018] Rid ，：J [0 右
[0019]式中，n表示复杂产品内零件的个数，Ri,j表示第i个零件Vi与第j个零件vj之间的关 系<Vl，，〇表示两个零件之间无直接关系，1表示两个零件之间存在直接关系，E(G)表示复 杂产品内零件之间的边集。
[0020] 所述第i个零件Vl与第j个零件中特征之间关系的相关特征矩阵CM^满足以下公 式：
[0021] CMjj - ^p,q： 5^ - P - ini , 1Sq<liij ?J=L<vi,vj>GE(G) ^ . . -III, /nXII j
[0022] 式中，表示中特征的个数，WP,q表示Vl中第p个特征与巧中第q个特征之间的关 系，Wp,q = 0表示两个特征之间无直接关系，Wp,q#0表示两个特征之间有定量关系，<Vi，Vj>表 示第i个零件Vl与第j个零件W之间的关系，E(G)表示复杂产品内零件之间的边集；
[0023] 所述第i个零件Vl中各特征之间关系的自特征矩阵Tit满足以下公式： 「00241 TM, = H , 1 < a < m, ,K. b < uij
[0025] 式中，Wa,b表示Vi中第a个特征与第b个特征之间的关系，w a,b = 0表示两个特征之间 无直接关系，wa,b辛0表示两个特征之间有定量关系。
[0026] 所述两个特征之间的定量关系包括相邻、共面交、非共面交、共面含、非共面含和 From-To〇
[0027] 所述步骤S5之后还包括步骤S6:根据相关痊愈矩阵获得受影响的零件中所需更改 的特征，根据自痊愈矩阵获得发生变化的零件中所需更改的特征，对获得的受影响的零件 中所需更改的特征和发生变化的零件中所需更改的特征进行更改，重复步骤S4和S5,遍历 到复杂产品中的所有零件后结束。
[0028] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0029] 1)为了降低传统产品模型设计的复杂度，本发明在传染病动力学演化模型中对产 品复杂网络的传播模式做出更改，并给出相关特征矩阵、自特征矩阵、传染矩阵、相关痊愈 矩阵和自痊愈矩阵等定义，利用传染矩阵等数学公式定量描述复杂产品，进而反应产品元 在物质、能量、信息的交换和传递，达到智能设计与进化的目的。
[0030] 2)本发明通过遍历计算复杂产品中的所有零件对应的自痊愈矩阵和相关痊愈矩 阵，完成从零件级和装配级两个方面计算产品信息量，简化传统产品模型设计的复杂度，提 尚复杂广品设计效率。
【附图说明】
[0031] 图1为本发明方法流程图；
[0032] 图2为发动机结构中活塞销与连杆之间的关系图。
【具体实施方式】
[0033]下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案 为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于 下述的实施例。
[0034] 如图1所示，一种面向产品设计更改的传染病动力学演化建模方法包括以下步骤：
[0035] S1:通过体素构造（CSG:Constructive Solid Geometry)法建立复杂产品的复杂 网络，复杂网络包括复杂产品划分的多个零件以及零件之间的边集E(G)，根据复杂网络建 立复杂产品中零件之间的关系矩阵，关系矩阵中每个元素表示零件之间是否存在关系。
[0036] 复杂产品中零件与零件之间的关系矩阵RM满足以下公式：
[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表示复杂产品内零件的个数，Ri,j表示第i个零件Vi与第j个零件Vj之间的关 系〈Vi, vj>，0表示两个零件之间无直接关系，1表示两个零件之间存在直接关系。
[0040] S2:根据关系矩阵，建立两个零件中特征之间关系的相关特征矩阵，相关特征矩阵 中每个元素表示两个零件中相应特征之间的关系。相关特征矩阵可以反应零件级别上产品 信息量。
[0041] 第i个零件Vl与第j个零件中特征之间关系的相关特征矩阵CM^满足以下公式：
[0042] CMjj = ,l<p<mi ,l<q<mj s^.<vi,vj>GE(G)
[0043]式中，mi表示Vi中特征的个数，mj表示Vj中特征的个数，Wp,q表示Vi中第p个特征与Vj 中第q个特征之间的关系，WP,q = 0表示两个特征之间无直接关系，WP,q辛0表示两个特征之间 有定量关系，表示第i个零件 Vl与第j个零件W之间的关系，E(G)表示复杂产品内零 件之间的边集。
[0044]其中，两个特征之间的定量关系包括相离、相邻、共面交、非共面交、共面含、非共 面含和From-To,分别对应用0-6的数值表示，相离表示两特征所占据的空间彼此分离，无公 共空间，即无直接关系，相邻表示两特征有公共平面且总占据空间为两特征占据空间之和， 共面交表示两特征空间相交且有公共平面，非共面交表示两特征空间相交且无公共平面， 共面含表示一特征位于另一特征内部，且两特征有一个或几个公共平面，非共面含表示一 特征完全位于另一特征内部，两特征既无公共平面又不相交，From-To表示该特征与和它定 义相关的一个或两个特征的关系为相抵关系。
[0045] S3:根据每个零件中各特征之间关系建立自特征矩阵，自特征矩阵中每个元素表 示单个零件中相应特征之间的关系。复杂产品的特征关系不是一成不变的，当复杂产品处 于运动状态，其零件内部结构特征发生变化，因此，设计自特征矩阵可以反应装配级别上产 品信息量。
[0046] 第i个零件Vl中各特征之间关系的自特征矩阵Tit满足以下公式：
[0047] TM^[wa；b]mjXmi ^^<1^
[0048] 式中，wa,b表示Vi中第a个特征与第b个特征之间的关系，w a,b = 0表示两个特征之间 无直接关系，wa,b辛0表示两个特征之间有定量关系。
[0049] S4:当复杂产品中某一零件发生变化时，获取发生变化的零件以及发生变化的零 件中对应更改的特征，建立传染病动力学演化模型的传染矩阵，满足以下公式：
[0050] VMX = [VliP]ix^ ,1 < p < m,
[0051 ]式中，VMi表示发生变化的第i个零件Vi的传染矩阵，nu表示Vi中特征的个数，V1>P表 示Vi中第P个特征是否更改，Vi,p = 〇表示特征未更改，Vi,p=l表示特征发生更改。
[0052] S5:通过关系矩阵获取与发生变化的零件相关联零件的信息以及对应的相关特征 矩阵，将传染矩阵和相关特征矩阵相乘后获得相关痊愈矩阵，相关痊愈矩阵中非零值的元 素与受影响的零件中所需更改的特征相对应，将发生变化的零件的传染矩阵和自特征矩阵 相乘后获得自痊愈矩阵，自痊愈矩阵中非零值的元素与发生变化的零件中所需更改的特征 相对应。
[0053]第i个零件Vi对第j个零件Vj的相关痊愈矩阵RMij满足以下公式：
[0054] RMy = VMj x CM- = Tj
[0055] RMij中第q个元素 rq对应第j个零件Vj中第q个特征，若rq = 0，第j个零件Vj中第q个 特征无需更改，若rq#0,第j个零件vj中第q个特征需要更改。
[0056]第i个零件Vi的自痊愈矩阵RMi满足以下公式：
[0057] RMj = ￥Mj x TM：i = r \, r'2,..r'p ,：r'^.
[0058] RMi中第p个元素 r ' P对应零件Vi中第p个特征，若r ' P = 0，零件Vi中第p个特征无需更 改，若r ' P辛0，零件Vi中第p个特征需要更改。
[0059] S6:根据相关痊愈矩阵获得受影响的零件中所需更改的特征，根据自痊愈矩阵获 得发生变化的零件中所需更改的特征，对获得的受影响的零件中所需更改的特征和发生变 化的零件中所需更改的特征进行更改，重复步骤S4和S5,遍历到复杂产品中的所有零件后 结束。
[0060] 以上构建的相关特征矩阵、自特征矩阵、传染矩阵、相关痊愈矩阵和自痊愈矩阵构 成传染病动力学演化模型。
[0061 ]本实施例中，以其中的曲柄连杆机构为研究对象。曲柄连杆机构主要由活塞、连杆 和曲轴三大主件以及气环、油环、连杆盖等附件构成。其最主要的功能就是将燃料燃烧时产 生的热能转变为活塞往复运动的机械能，再转变为曲轴旋转运动而对外输出动力。所以，曲 柄连杆机构的总功能是能量转换或动力输出，由各类执行零件、传动零件和定位零件有机 组合完成该功能。在整体的发动机运作来看，该机构还离不开两种重要的介质，即气体和汽 油。这些介质的存在导致产品的设计需要考虑添加特定的零件或者结构对介质进行操作。 [0062] 如在发动机结构中，活塞销用PUA表示，连杆用表示PUB，活塞销和连杆之间的特征 及其特征关系如图2和表1所示。
[0063]表1活塞销与连杆特征表
[0065] 根据表1，得到活塞销的特征依次顺序为活塞销外径？A.、活塞销内径dA、活塞销长 度1a，连杆的特征依次顺序为连杆小头直径9 B、连杆长度1B、连杆大头直径dB，其中，活塞销 内径dA与连杆小头直径9 b存在非共面含的关系，则活塞销和连杆的相关特征矩阵表示为： 0 5 0
[0066] CMAB = 5 0 0 0 〇 0
[0067] 此时，若系统环境更改，活塞销的内径发生变化，根据传染病动力学演化模型计 算，可得活塞销的传染矩阵：
[0068] VMa=[0 1 0]
[0069]当系统设计更改信息在系统复杂网络上传播时，此时遍历所有与气缸器相关的零 件，如连杆，通过传染矩阵VMa与特征矩阵CMab的乘积，得到活塞销对连杆的相关痊愈矩阵 RMab：
[0070] RMab = VMaXCMab=[5 0 0]
[0071] 从RMab的第一个元素非零可得到，对应的连杆第一个特征:连杆小头直径需要发生 设计更改，同根据表1的特征关系相一致，即连杆小头直径发生更改以适应系统设计更改变 化。
[0072] 同理获取活塞销的自特征矩阵，将传染矩阵VMa与活塞销的自特征矩阵相乘后获 得自痊愈矩阵，根据自痊愈矩阵的第一个元素非零可以知道，活塞销的第一个特征:活塞销 外径需要发送设计更改。
【主权项】
1. 一种面向产品设计更改的传染病动力学演化建模方法，其特征在于，包括以下步骤： S1:将复杂产品划分为多个零件，建立复杂产品中零件之间的关系矩阵，关系矩阵中每 个元素表示零件之间是否存在关系； S2:根据关系矩阵，建立两个零件中特征之间关系的相关特征矩阵，相关特征矩阵中每 个元素表示两个零件中相应特征之间的关系； S3:根据每个零件中各特征之间关系建立自特征矩阵，自特征矩阵中每个元素表示单 个零件中相应特征之间的关系； S4:获取复杂产品中发生变化的零件，以及发生变化的零件中对应更改的特征，建立传 染矩阵，满足以下公式：式中，VMi表示发生变化的第i个零件Vi的传染矩阵，mi表示Vi中特征的个数，Vi,P表示Vi 中第P个特征是否更改，Vi,p = 〇表示特征未更改，Vi,p = 1表示特征发生更改； S5:将传染矩阵和相关特征矩阵相乘后获得相关痊愈矩阵，相关痊愈矩阵中非零值的 元素与受影响的零件中所需更改的特征相对应，将传染矩阵和自特征矩阵相乘后获得自痊 愈矩阵，自痊愈矩阵中非零值的元素与发生变化的零件中所需更改的特征相对应。2. 根据权利要求1所述的一种面向产品设计更改的传染病动力学演化建模方法，其特 征在于，所述复杂产品中零件与零件之间的关系矩阵RM满足以下公式： RM= [Ri, j]nxn, 1^： j^n式中，n表示复杂产品内零件的个数，表示第i个零件Vl与第j个零件之间的关系〈 Vl，^>，〇表示两个零件之间无直接关系，1表示两个零件之间存在直接关系，E(G)表示复杂 产品内零件之间的边集。3. 根据权利要求1所述的一种面向产品设计更改的传染病动力学演化建模方法，其特 征在于，所述第i个零件Vl与第j个零件v冲特征之间关系的相关特征矩阵CM^满足以下公 式：式中，mj表示vj中特征的个数，WP,q表示Vi中第p个特征与vj中第q个特征之间的关系，W P,q =0表示两个特征之间无直接关系，WP,q辛0表示两个特征之间有定量关系，<Vl， Vj>表示第i 个零件Vl与第j个零件之间的关系，E(G)表示复杂产品内零件之间的边集； 所述第i个零件Vl中各特征之间关系的自特征矩阵Tit满足以下公式：式中，wa,b表示Vi中第a个特征与第b个特征之间的关系，w a,b = 0表示两个特征之间无直 接关系，表示两个特征之间有定量关系。4. 根据权利要求3所述的一种面向产品设计更改的传染病动力学演化建模方法，其特 征在于，两个特征之间的定量关系包括相邻、共面交、非共面交、共面含、非共面含和From- Too5.根据权利要求1所述的一种面向产品设计更改的传染病动力学演化建模方法，其特 征在于，所述步骤S5之后还包括步骤S6:根据相关痊愈矩阵获得受影响的零件中所需更改 的特征，根据自痊愈矩阵获得发生变化的零件中所需更改的特征，对获得的受影响的零件 中所需更改的特征和发生变化的零件中所需更改的特征进行更改，重复步骤S4和S5,遍历 到复杂产品中的所有零件后结束。
【文档编号】G06F17/50GK105930556SQ201610223551
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月12日
【发明人】郝泳涛, 张伟
【申请人】同济大学