一种层次化系统集成设计建模方法与流程

本发明属于计算机辅助系统设计领域的研究内容，更具体地说，本发明涉及一种层次化系统集成设计建模方法。

背景技术：

复杂产品研发的系统化方法研究是将产品设计和系统工程相结合的产物，其发展已经由来已久，通常以设计过程进行一般描述作为起点，进而探究该过程中完成每项任务所要求的具体步骤形成详细的过程方法。典型的系统研发过程包括四个阶段：阐明任务，说明并定义设计任务；概念设计，定义产品系统的整体功能和子功能，形成功能结构；初步设计和详细设计，从而生成设计方案。

虽然在不同的工程领域中，出现了很多与上述概念设计过程中任务有所差异的过程模型，比如机电系统工程中采用了自上而下的设计过程和自底向上的集成验证过程相结合的“v”模型。这是由于涉及多学科问题，比一般产品的设计过程要复杂，为降低研发失败的风险，复杂机电产品概念设计的重要性不言而喻。

现有的概念设计描述模型存在表达多样性，目标单一性的特点，缺乏统一的描述模型能将设计中不同方面的特征信息(需求、功能、行为和结构等)结合在一起，形成集成的产品概念视角，并通过该系统模型的不断迭代、演化生成可行的概念设计方案，对可选方案进行评估决策后选出最优方案解，作为后续详细设计阶段中的信息来源。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种层次化系统集成设计建模方法，为工程领域系统概念设计过程提供有效的方法。

本发明的一种层次化系统集成设计建模方法，包括以下步骤：

概念设计模型库预定义的步骤：根据不同学科产品系统的设计任务构建导入所使用的需求模型库、功能模型库、行为模型库和结构模型库，采用sysml图形化对模型库进行统一表达；

需求分类建模的步骤：从系统的整体角度出发对系统需求进行图形化建模；

基于用例的功能需求分析的步骤：从用户角度出发，通过用例分析识别产品的主要功能，定义系统边界；

系统功能建模的步骤：设计人员针对特定情况分析确认输入、输出流的类型及数量，进行整体功能识别与定义和基于流端口匹配的功能分解两个基本过程，输出仅包含原子功能的系统功能模型；

多种路径的功能-行为-结构映射的步骤：对得到的功能结构推理出可实现原子功能的物理结构，并建立结构端口之间的联系，形成完整的系统概念设计方案。

作为本发明一种层次化系统集成设计建模方法的第一种优选，其中根据不同学科产品系统的设计任务构建导入所使用的需求模型库的步骤为：

将采用自然语言描述的文档式需求进行模型化，在支持sysml语言的建模工具中直接构建需求模型库，将需求模型库按照功能需求、操作需求、性能需求、接口需求以包的形式分类存储在单独的特定格式的文件中，每个的需求元素通过两个基本属性“id”和“text”来表示。

作为本发明一种层次化系统集成设计建模方法的第二种优选，其中根据不同学科产品系统的设计任务构建导入所使用的功能模型库的步骤为：

将基本的原子功能分解为一个四元组，包括功能id，输入流f_in，功能元p，输出流f_out，采用“功能元+流对象”的功能表达方式，将功能元细分为三层结构表达，将流分为物料、能量和信号三大类。

作为本发明一种层次化系统集成设计建模方法的第三种优选，其中根据不同学科产品系统的设计任务构建导入所使用的行为模型库的步骤为：

将行为层分为预期行为和实际行为两个方面，采用“物理规律+输入输出”的组合形式对预期行为进行表示，将物理规律与结构模型的约束属性进行对应，将输入输出流与功能的输入输出对应，通过方程对结构参数变量及变量之间的关系进行表示；

所述预期行为是从抽象层面上实现系统功能的原理性问题，将流对象的类型和属性变化视为其物理状态的改变，且该变化遵循一定的物理规律，所述的实际行为是结构模块的物理行为。

作为本发明一种层次化系统集成设计建模方法的第四种优选，其中根据不同学科产品系统的设计任务构建导入所使用的结构模型库步骤为：

对系统功能和行为模型进行映射，输出系统结构设计方案，然后通过初步评估验证方案的合理性。

作为本发明一种层次化系统集成设计建模方法的第五种优选，其中基于流端口匹配的功能分解的步骤为：

对功能元进行判断，根据功能元的输入输出流对比结果，如果流的类型、属性中多于一项发生变化，就按照之前规范化定义的功能元及流对象的分层表示方法，将系统整体功能分解细化为三个抽象层次的功能模型。

作为本发明一种层次化系统集成设计建模方法的第六种优选，其中对得到的功能结构推理出可实现原子功能的物理结构，并建立结构端口之间的联系，形成完整的系统概念设计方案的步骤为：

首先，对输入的功能进行原子功能判断，判定符合映射条件后，进行功能-结构的直接映射，对原子功能的输入输出流的类型及属性与预定义物理结构的端口进行匹配操作，对于流的类型相同，属性没有范围冲突的则匹配成功，否则失败，然后，将原子功能的输入输出流与预期行为中的流对象属性进行再次匹配，判定条件与上述相同，对于匹配成功的情况，将继续以预期行为的物理效应属性与预定义结构的约束属性进行第三次匹配，成功则结束，否则与未匹配到预期行为的原子功能一起进入下一次匹配，如果能够找到输入输出的物料流属性变化与物理结构的材料特性满足功能需求，则依照此材料搜索物理结构，如果此过程同样失效，则进行人工干预，依靠领域专家的设计经验自主设计结构实现该功能。

本发明的有益效果是克服了现有多学科复杂产品概念设计领域表达多样性、目标单一性、缺乏统一的描述模型的缺点，本发明能够对系统概念设计模型的需求、功能、行为和结构进行统一描述，具有形式化、面向对象、图形化的优点，提高了系统概念设计的效率。

附图说明

图1是对多学科复杂产品进行层次化系统集成设计建模流程图；

图2是功能-行为-结构映射流程图；

图3是行李箱箱盖需求模型；

图4是行李箱盖用例；

图5是关闭箱盖作为整体功能；

图6是关闭箱盖功能模型；

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1所示，本实施方式是一种层次化系统集成设计建模方法，包括以下步骤：

概念设计模型库预定义的步骤：根据不同学科产品系统的设计任务构建导入所使用的需求模型库、功能模型库、行为模型库和结构模型库，采用sysml图形化对模型库进行统一表达；

需求分类建模的步骤：从系统的整体角度出发对系统需求进行图形化建模；

基于用例的功能需求分析的步骤：从用户角度出发，通过用例分析识别产品的主要功能，定义系统边界；

系统功能建模的步骤：设计人员针对特定情况分析确认输入、输出流的类型及数量，进行整体功能识别与定义和基于流端口匹配的功能分解两个基本过程，输出仅包含原子功能的系统功能模型；

多种路径的功能-行为-结构映射的步骤：对得到的功能结构推理出可实现原子功能的物理结构，并建立结构端口之间的联系，形成完整的系统概念设计方案。

具体实施方式二：本实施方式是对实施方式一的进一步限定，其中根据不同学科产品系统的设计任务构建导入所使用的需求模型库的步骤为：

将采用自然语言描述的文档式需求进行模型化，在支持sysml语言的建模工具中直接构建需求模型库，将需求模型库按照功能需求、操作需求、性能需求、接口需求以包的形式分类存储在单独的特定格式的文件中，每个的需求元素通过两个基本属性“id”和“text”来表示。

具体实施方式三：本实施方式是对实施方式二的进一步限定，其中根据不同学科产品系统的设计任务构建导入所使用的功能模型库的步骤为：

将基本的原子功能分解为一个四元组，包括功能id，输入流f_in，功能元p，输出流f_out，采用“功能元+流对象”的功能表达方式，将功能元细分为三层结构表达，将流分为物料、能量和信号三大类。

具体实施方式四：本实施方式是对实施方式三的进一步限定，其中根据不同学科产品系统的设计任务构建导入所使用的行为模型库的步骤为：

将行为层分为预期行为和实际行为两个方面，采用“物理规律+输入输出”的组合形式对预期行为进行表示，将物理规律与结构模型的约束属性进行对应，将输入输出流与功能的输入输出对应，通过方程对结构参数变量及变量之间的关系进行表示；

所述的预期行为是从抽象层面上实现系统功能的原理性问题，将流对象的类型和属性变化视为其物理状态的改变，且该变化遵循一定的物理规律，所述的实际行为是结构模块的物理行为。

具体实施方式五：本实施方式是对实施方式四的进一步限定，其中根据不同学科产品系统的设计任务构建导入所使用的结构模型库步骤为：

对系统功能和行为模型进行映射，输出系统结构设计方案，然后通过初步评估验证方案的合理性。

具体实施方式六：本实施方式是对实施方式五的进一步限定，其中基于流端口匹配的功能分解的步骤为：

对功能元进行判断，根据功能元的输入输出流对比结果，如果流的类型、属性中多于一项发生变化，就按照之前规范化定义的功能元及流对象的分层表示方法，将系统整体功能分解细化为三个抽象层次的功能模型。

具体实施方式七：结合图2所示，本实施方式是对实施方式六的进一步限定，其中对得到的功能结构推理出可实现原子功能的物理结构，并建立结构端口之间的联系，形成完整的系统概念设计方案的步骤为：

首先，对输入的功能进行原子功能判断，判定符合映射条件后，进行功能-结构的直接映射，对原子功能的输入输出流的类型及属性与预定义物理结构的端口进行匹配操作，对于流的类型相同，属性没有范围冲突的则匹配成功，否则失败，然后，将原子功能的输入输出流与预期行为中的流对象属性进行再次匹配，判定条件与上述相同，对于匹配成功的情况，将继续以预期行为的物理效应属性与预定义结构的约束属性进行第三次匹配，成功则结束，否则与未匹配到预期行为的原子功能一起进入下一次匹配，如果能够找到输入输出的物料流属性变化与物理结构的材料特性满足功能需求，则依照此材料搜索物理结构，如果此过程同样失效，则进行人工干预，依靠领域专家的设计经验自主设计结构实现该功能。

下面通过具体实施例，对本发明做进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以一个简单的机械系统——汽车行李箱箱盖的设计建模过程为例，其需求模型如图3所示

第三步骤，基于用例的功能需求分析：从用户角度出发，可以归纳出对箱盖的操作用例，其中，操作又包括关闭和打开两种操作方式，卸下箱盖虽然不属于正常操作用例范畴，但可理解为是对操作的延伸用例，由此可以分析得出，该箱盖具有关闭、打开、卸下三个主要的系统功能，如图4所示。

第四步骤，系统功能建模：以关闭箱盖这个主要功能为例，可以对其输入输出进行判断、定义并图形化建模表达，如图5所示。

图6是上述定义的关闭行李箱箱盖顶层功能分解后得到的子功能结构图。对于关闭箱盖功能来说，首先界定功能的整体输入、输出情况，然后从输入开始，分析功能的内部结构，这里箱盖作为输入时，首先考虑其固定连接，其次考虑它的运动情况，可以看出在构建功能结构时，要重点分析对输入流操作的逻辑关系，依照基本逻辑关系，对照功能元类型进行匹配，如连接、引导。同样地，从人力的输入角度出发，根据力的作用方向判断，可以发现三个子功能可以完成匹配。

第五步骤：多种路径的功能-行为-结构映射：关闭箱盖功能结构相对简单，针对箱盖的功能-结构映射结果便是显而易见的，由功能图中的子功能命名即可得知，关闭功能需要帆布、钉子、金属板、箱盖等物理结构，即完成了完整的系统建模过程。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本发明的保护范围并不局限于此，对于本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明不加创造性地进行改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。