面向概念设计的定性建模技术研究

论文摘要

概念设计作为产品设计的一个重要阶段,在产品全生命周期中具有举足轻重的作用。定性方法和数字样机作为产品设计与分析的有效辅助工具,扩展了设计思维,为产品创新提供了崭新的工具。传统的定量数字样机是在不同时间点变量的数字值集合的层次上进行系统行为推理,对于不精确和非量值的数据缺乏必要的支持。针对产品概念设计阶段存在的大量定性知识和传统定量数字样机在概念设计阶段应用中存在的不足,本文提出了定性数字样机的概念,并研究了定性数字样机一些关键技术问题。在对产品概念设计的特点、传统数字样机系统的建立与应用、定性建模与仿真理论分析与总结的基础上,本文从目标、功能、能力、技术组成四个方面对定性数字样机进行定义,并采用面向对象的体系框架构建策略实现了定性数字样机体系框架的构建。针对概念设计阶段所识别系统组成要素间所具有的有机联系和相互作用关系,以及结构化分析方法在定性知识分析上的优势,本文提出了基于结构模型化的定性数字样机建模方法。通过对系统变量间的相互影响关系进行结构化分析与描述,按照定性仿真模型中的代数约束和定性约束形式在所有具有直接因果影响关系的变量间生成相应的约束形式,并进行约束一致性、行为一致性和量纲一致性过滤,生成可直接用于仿真的定性微分方程。针对Kuipers定性仿真方法实际具备约束满足类问题特性的特点,将其看着是求解一类约束满足问题,从提高仿真效率、方便仿真建模的角度,将Kuipers定性仿真方法根据约束逻辑程序语言进行改进。根据约束求解是基于“先生成后检验”的原则,在逻辑语言的基础上添加了对约束的求解能力,使之更适合于定性知识的应用和程序实现。定性仿真由于其充分不完备性,易导致仿真出现大量冗余结果,当模型量比较大时进行配对组合、全局一致性过滤会非常困难,针对这种情况本文提出了基于强连通图和遗传算法的两种模型分解方法,根据对象系统的实际情况,按照不同的方法进行系统模型分解,并对分解之后的子系统按照其在原系统中的位置进行重新组合,构成新的简化系统。分解后的各个子系统单独进行仿真,其输出结果即为与之相连的子系统的输入。模型分解将完整的配对组合和冗余行为过滤分散在各个子系统中分别进行,所以可以极大提高复杂系统的仿真效率、降低仿真难度。在定性仿真中引入定量知识,能够减少定性仿真中由定性计算导致的模糊性、构造不同层次的系统模型、较为精确的定义系统及其行为,从而减少许多不必要的仿真分支,节省大量无谓的计算,能够很好的提高仿真效率,满足不同的应用需求。本文从扩展系统知识应用的角度,采用模糊数学方法构造定量信息与定性信息相集成的定性仿真算法,实现定性定量知识综合的数字样机。基于模糊数学的定性定量知识结合的仿真方法为有效应用产品概念设计阶段的定量信息提供了有效方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景和课题来源
• 1.2 研究目的与意义
• 1.3 相关问题的研究与应用现状
• 1.4 本文的主要工作
• 1.5 论文章节安排
• 2 定性数字样机的概念与体系框架
• 2.1 概念设计步骤及知识应用框架
• 2.2 定性数字样机的概念
• 2.3 定性数字样机体系框架
• 2.4 定性数字样机体系框架实例
• 2.5 本章小结
• 3 定性数字样机的结构化建模方法
• 3.1 系统定性建模基础
• 3.2 定性模型的重要组成部分
• 3.3 结构模型化定性建模方法
• 3.4 本章小结
• 4 面向约束的定性仿真方法
• 4.1 定性仿真的原理与过程
• 4.2 定性仿真的基本算法
• 4.3 定性仿真算法的约束逻辑语言描述
• 4.4 本章小结
• 5 定性数字样机模型分解
• 5.1 定性模型分解过程分析
• 5.2 定性模型约束结构分析
• 5.3 基于有向图的定性模型分解
• 5.4 基于遗传算法的定性模型分解
• 5.5 本章小结
• 6 基于模糊数学方法的定量信息集成
• 6.1 定性与定量方法的关系
• 6.2 模糊定性仿真方法
• 6.3 离合器系统模糊定性仿真实例
• 6.4 本章小结
• 7 原型系统及综合实例
• 7.1 定性数字样机建模环境
• 7.2 定性数字样机仿真环境
• 7.3 建模与仿真实现框架
• 7.4 系统的功能模块
• 7.5 应用实例
• 7.6 本章小结
• 8 总结与展望
• 8.1 全文工作总结
• 8.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读博士学位期间发表学术论文目录