分布式模块化产品系统的演化动力学

论文摘要

分布式模块化设计是当今主流的先进设计方法学，广泛应用于工程系统的开发。由此设计的系统被称为分布式模块化系统，由分布成相互关联的基本集中式模块构成。然而，在工程领域，分布式模块化设计方法学在实际系统设计方面都是形式化的语言描述。由此设计的分布式模块化系统在系统结构上究竟有哪些现象与数学规律?这还是一个令人迷惑而有趣的问题。为此，在机械与信息自动化领域，本文选择了有代表性的分布式模块化系统——杭州汽轮机股份有限公司(HTC)的汽轮机系统以及SUN与IBM公司的Java软件系统——为研究对象，以揭示其潜在规律为目标，并将严格遵循普遍的科研方法：从实践中发现现象，根据现象揭示本质数学规律，将数学规律应用到实际。基于复杂网络理论，研究复杂系统的演化规律与网络特性，是当今系统科学研究的一个热点。复杂网络理论将图论与概率统计相结合，研究世界上受各种机制控制并动态变化的系统。当前，以分布式模块化系统为专题的复杂性研究成果还很匮乏。本文将基于复杂网络理论，通过对实际系统的小世界特性与度分布特性的研究，试图揭示分布式模块化系统在系统结构上的普遍现象与数学规律，并对其差异性进行分析。本文的研究主要包含以下方面：第1章作为绪论，对全文的所有研究工作进行了简单介绍。第2章介绍了分布式模块化设计原理、实际分布式模块化产品系统的结构与网络抽象。第3章考察了实际分布式模块化产品系统的小世界特性。第4章实证了实际分布式模块化产品系统的入度、出度与度分布特性。第5章研究了在实际系统中择优机制与随机机制共存的现象。第6章研究了实际分布式模块化产品系统的“加速连接”现象。第7章研究了实际系统的其它扩展机制。第8章探索了无标度网络的“富者愈富”现象。第9章讨论了演化模型对多样化设计原则的控制机制与压缩内部多样化的方法。第10章总结与展望。本文同时对理论结论进行了仿真与应用，并讨论了其与分布式模块化设计学的关系。研究表明，在工程领域确定的设计原理及其规范有助于构建具有特定网络规律的系统。本文的研究发现了分布式模块化产品系统的一些新现象与规律：●实证发现，分布式模块化产品系统具有小世界特性与无标度特性。入度与出度分布总是一个服从幂律分布，另一个渐近服从指数分布，而重用与分布式技术分别发挥重要作用。●实际分布式模块化产品系统受到择优与随机机制的共同控制。●在分布式模块化产品系统中存在“加速连接”现象。这是调节系统协作性能的要求，并有助于“以尽可能少的内部多样化，实现尽可能多的外部多样化”的设计原则。●在实际分布式模块化产品系统中存在局部事件、分散式与集中式的混合现象。●理论上，任意具有“富者愈富”现象的无标度网络都具有确定的穷富分界点(区)，并且穷富分界点(区)受系统演化机制的控制。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究的对象、目的与意义、技术路线
• 1.2.1 研究的对象
• 1.2.2 研究的目的与意义
• 1.2.3 技术路线
• 1.3 研究的问题
• 1.3.1 实证方面
• 1.3.2 理论方面
• 1.3.3 设计原理与网络特性的关系
• 1.4 研究的特色与主要创新点
• 1.5 复杂网络理论的研究现状
• 1.5.1 复杂网络实证研究
• 1.5.2 复杂网络理论基础
• 1.6 本文的研究内容与结构
• 第2章 分布式模块化产品设计方法与网络抽象
• 2.1 引言
• 2.2 分布式模块化设计方法
• 2.2.1 分布式的普遍性
• 2.2.2 模块化的含义
• 2.2.3 分布式与集中式
• 2.2.4 分布式模块化的优点
• 2.2.5 分布式模块化设计原理
• 2.2.6 分布式模块化的组合产品开发
• 2.3 大批量定制技术
• 2.3.1 大批量定制的含义
• 2.3.2 大批量定制基本原理
• 2.3.3 多样化的设计原则
• 2.3.4 产品主结构
• 2.3.5 产品主结构的复杂性
• 2.4 分布式模块化的软件设计技术
• 2.4.1 研究复杂软件系统的必要性
• 2.4.2 软件设计基本原理
• 2.4.3 模块的独立性
• 2.4.4 对象与类
• 2.4.5 软件重用
• 2.4.6 软件系统开发的组合性与重用性
• 2.4.7 类内部结构的复杂性度量
• 2.5 超大规模的汽轮机结构与网络抽象
• 2.5.1 汽轮机结构
• 2.5.2 汽轮机系统的网络抽象
• 2.6 大（小）规模的Java软件系统结构与网络抽象
• 2.6.1 Java语言基础知识
• 2.6.2 Java类的继承关系
• 2.6.3 继承关系的连通性
• 2.6.4 类图
• 2.6.5 类图的结构复杂性
• 2.6.6 Java软件系统的网络抽象
• 2.7 本章小结
• 第3章 分布式模块化产品系统的小世界特性
• 3.1 引言
• 3.2 小世界现象
• 3.2.1 小世界现象的含义与特性
• 3.2.2 "六度分离"实验
• 3.2.3 六度分离结构的理想树形网络
• 3.2.4 理想六度分离结构在科学技术网中的应用
• 3.2.5 理想六度分离结构在社会网中的应用
• 3.2.6 六度分离的优缺点
• 3.3 Watts-Strogatz（WS）模型
• 3.3.1 WS模型算法
• 3.3.2 小世界网络的量化
• 3.3.3 小世界网络的判据
• 3.3.4 WS模型的缺点
• 3.3.5 WS模型与六度分离理论的比较
• 3.4 超大规模汽轮机系统的小世界特性
• 3.4.1 汽轮机的小世界网络特性
• 3.4.2 汽轮机网的捷径
• 3.4.3 汽轮机的六度分离特性
• 3.5 大规模Java软件产品的小世界特性
• 3.5.1 大规模Java软件产品的小世界网络特性
• 3.5.2 大规模Java类图网的捷径
• 3.5.3 大规模Java软件产品网的六度分离特性
• 3.6 小规模Java软件产品的小世界特性
• 3.6.1 小规模Java软件产品的小世界网络特性
• 3.6.2 小规模Java类图网的捷径
• 3.6.3 小规模Java软件产品网的六度分离特性
• 3.7 本章小结
• 第4章 分布式模块化产品系统的度分布特性
• 4.1 引言
• 4.2 分布式模块化系统的方向性
• 4.3 网络（累积）度分布的含义
• 4.4 超大规模汽轮机产品网与构件库网的分布特性
• 4.4.1 汽轮机产品网的分布特性实证
• 4.4.2 汽轮机产品网的分布特性小结
• 4.4.3 汽轮机构件库网的分布特性实证
• 4.4.4 汽轮机构件库网的分布特性小结
• 4.5 大（小）规模Java类图网的分布特性
• 4.5.1 类图网的分布特性实证
• 4.5.2 类图网的分布特性小结
• 4.6 大（小）规模Java继承网的分布特性
• 4.6.1 继承网的分布特性实证
• 4.6.2 继承网的分布特性小结
• 4.7 本章小结
• 第5章 择优随机网络
• 5.1 引言
• 5.2 无标度模型与增长随机模型
• 5.2.1 无标度模型
• 5.2.2 增长随机模型
• 5.2.3 模型仿真
• 5.3 分布式模块化系统的择优与随机特性
• 5.4 择优随机网络
• 5.4.1 无向择优随机模型
• 5.4.2 无向择优随机模型与Liu等模型的比较
• 5.4.3 有向择优随机模型
• 5.5 仿真与应用
• 5.5.1 无向择优随机模型的仿真
• 5.5.2 有向择优随机模型的仿真
• 5.5.3 应用于大规模软件系统
• 5.5.4 应用于超大规模机械系统
• 5.5.5 实际系统的初始吸引度
• 5.6 本章小结
• 第6章 分布式模块化产品系统的"加速连接"现象
• 6.1 引言
• 6.2 分布式模块化系统的多样化
• 6.3 "加速连接"现象的实证
• 6.3.1 汽轮机构件库系统的"加速连接"现象
• 6.3.2 软件系统类图网的"加速连接"现象
• 6.3.3 加速规律
• 6.3.4 "加速连接"的幂函数特性
• 6.4 "加速连接"模型
• 6.4.1 "加速连接"无标度模型
• 6.4.2 "加速连接"随机模型
• 6.4.3 "加速连接"择优随机模型
• 6.5 "加速连接"无标度模型的网络特性
• 6.5.1 平均度
• 6.5.2 最大度
• 6.5.3 集聚系数及其连续性
• 6.6 仿真与应用
• 6.6.1 度分布的仿真
• 6.6.2 集聚系数的仿真
• 6.6.3 平均最短路径的仿真
• 6.6.4 "加速连接"机制的应用
• 6.7 本章小结
• 第7章 分布式模块化产品系统的扩展机制与演化模型
• 7.1 引言
• 7.2 局部事件无标度模型
• 7.3 分布式模块化系统局部事件的实证与演化模型
• 7.3.1 分布式模块化系统局部事件的实证
• 7.3.2 局部事件演化模型
• 7.4 现实中的约束现象与限富约束模型
• 7.4.1 约束现象
• 7.4.2 限富约束模型
• 7.5 Java继承网演化模型
• 7.6 应用
• 7.6.1 局部事件演化模型的应用
• 7.6.2 Java继承网演化模型的应用
• 7.7 本章小结
• 第8章 复杂网络的"富者愈富"现象
• 8.1 引言
• 8.2 分布式系统的"富者愈富"现象
• 8.3 穷富分界区的发现
• 8.4 穷富分界区的界定
• 8.4.1 无向择优随机模型累积度分布的相交性
• 8.4.2 择优与随机机制为逻辑与或的情况
• 8.4.3 择优与随机机制为逻辑或即α=0的情况
• 8.4.4 择优与随机机制为逻辑与即r=1的情况
• 8.5 无向择优随机模型的穷富比率与节点比率
• 8.5.1 择优与随机机制为逻辑与或的情况
• 8.5.2 择优与随机机制为逻辑或即α=0的情况
• 8.5.3 择优与随机机制为逻辑与即r=1的情况
• 8.5.4 增长随机模型的穷富状况
• 8.5.5 BA模型的"富者愈富"现象
• 8.6 本章小结
• 第9章 分布式模块化产品系统的多样化评价
• 9.1 引言
• 9.2 分布式模块化产品系统的多样化
• 9.2.1 产品内部多样化
• 9.2.2 产品外部多样化
• 9.3 提高外部多样化
• 9.4 压缩内部多样化
• 9.4.1 必要性
• 9.4.2 方法
• 9.5 本章小结
• 第10章 全文总结与展望
• 10.1 全文总结
• 10.2 展望
• 10.2.1 问题
• 10.2.2 应用前景
• 10.3 对其它部分文献成果的思考
• 参考文献
• 科研工作与成果
• 致谢