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1、基于行为流知识库的概念设计框架 摘要：借助计算机协助进行概念设计是产品概念设计的发展方向。该文提出行为流概念，并采纳Petri网技术对行为流建模。基于行为流概念，该文提出一种基于行为流学问库的概念设计框架。该框架可用于计算机协助概念设计，并在较高层次实现概念设计学问的重用。 关键词：FBS模型；行为流；学问库；Petri网；概念设计 中图分类号：TP311 文献标识码：A文章编号：1019-3044(2022)19-4695-03 Behavior Flow Knowledge Library based Conceptual Design Framework ZOU Zhao-guo, HA
2、O Yong-tao (CAD Research Center of Tongji University, Shanghai 202204, China) Abstract: It is the development direction to carries on conceptual design with the aid of the computer. In this paper, the conception of behavior flow is given and the model of behavior flow(BF) based on petri net is const
3、ructed. Based on BF model, we prospose a conceptual design framework, which using behavior flow knowledge libarary. This framework can be used to develop conceptual design tools and the designer can reuse concept design knowledge at a high level with this framework. Key words: FBS model; behavior fl
4、ow; knwoledge library; Petri net; conceptual design 1 概述 产品设计最初阶段只有关于最终产品的不完全信息，须要从概念设计阶段向更加具体的设计阶段进行演化，直至得到满意需求的产品设计。在整个设计过程中，概念设计从根本上或基本上确定了产品的功能、质量、成本和开发时间，尤其是从根本上或基本上确定了产品的创新性。在概念设计阶段，设计者从功能规范产生满意特定需求功能的物理配置，该物理配置只需对一些特征或部件有一个相对明确的描述，但并不要求具体。在以往的探讨中，概念设计功能-结构映射实现方法可以归结为两大类：干脆映射和间接映射。书目驱动的功能-结构映射
5、实现1属于干脆映射。 功能-行为-结构(FBS)模型2-3是典型的间接映射。Gero及其合作者提出FBS模型作为理解设计的理论手段及协助设计计算机工具的概念基础。依据FBS模型，功能层首先映射到行为层，然后行为层再映射到结构层。然而，在FBS模型中，并没有涉及各层之间映射的规则。功能、行为、结构之间的映射实现，一般须要阅历丰富的领域专家参加，假如运用基于学问库的计算机灵能设计方法，可以大大地加快企业产品开发时间，提升企业竞争力。目前，借组计算机协助和人工智能进行概念设计是概念设计发展的方向。 产品德为、结构是客观的，和功能不同的是，可以有无歧义的通用表达，具有通用性，适合于建立计算机推理学问库
6、。本文依据FBS模型行为与功能、结构的关系，提出行为流的概念，并用Petri网工具对行为流进行建模，进而提出基于行为流学问库的概念设计框架。 2 行为流模型 2.1 FBS模型 FBS模型的基础是三类描述设计对象不同方面的变量：功能(F)变量描述设计对象的目的，行为(B)变量描述设计对象的结构(S)变量产生的属性，结构(S)变量描述设计对象的组件及其关系。设计者依据阅历在功能、行为与结构之间构建关联关系，首先把功能映射到行为，然后依据行为产生结构。因此，设计者并不在功能和结构之间进行干脆关联，而是以行为作为纽带联接功能与结构。 FBS模型通过过程的集合来表示设计，这些过程把功能、行为与结构联系
7、在一起2。可以把这些过程看成设计的不同阶段。如图1所示，FBS模型描述的八个过程简洁概括如下： 1）公式化：将功能(F)表述的设计需求转化成行为(Be), Be能够实现功能。 2）综合：将行为(Be)转化为结构(S),S能够实现想要的行为(Be)。 3）分析：从得到的结构(S)中分析出实际行为(Bs)。 4）评估：对实际行为(Bs)与期望行为(Be)进行比较，推断设计方案是否满意功能。 5）文档化：记录设描述(D)用于制造产品。 6）再形成：当实际行为不满意要求时，过程6、7、8分别是设计状态空间中功能、行为、结构描述的更改。 2.2 行为流定义 在FBS模型中，行为是结构产生的属性，并作为中
8、间层联接功能层与结构层。本文采纳本体的观点来看待行为，认为行为是客观的，是对产品取得的客观效果的客观描述。本文从功能的角度看待行为(B)，认为功能通过行为的执行实现，每一个行为都实现某个功能，把肯定的输入转化成特定的输出，困难的行为可以进一步划分较低层次的行为。 定义1：假如一个行为不具有更低的行为层次，我们称之为行为元，用公式O=(I) 表示，其中I为行为输入集，O为行为输出集，假如不关注输入输出，可简记为。 行为的输入输出即该行为实现功能的输入输出，可以是能量、物料或信号。有些行为并没有输入或输出，例如支架的支撑行为。有些功能由并行发生的行为实现(FBB)，有些功能由串行发生的行为实现(F
9、B1B2) 4。实现任何功能的行为序列都是通过行为并联和串联组成，而行为本身可由较低层次的行为通过并联和串联组成。 定义2：实现特定功能的行为序列称为该功能的行为流，可用公式表达为： 其中B表示一个行为，符号“|”表示或关系，符号“”表示并关系，符号“+”表示至少一次重复，F是行为流实现的功能。 行为流就是一串的行为操作，一个单独的行为元可以视为最简洁的行为流。可见，行为流实现产品的功能F，功能F是对行为流的说明。由于行为存在层次关系，行为流也存在明显的层次划分，例如行为流(B1(B2B3) 可分解为(123(B2B3) ，其中B1=123，并且该行为流可进一步分解，直至所以行为都由行为元序列
10、替代。 2.3 行为流Petri网模型 Petri网是对离散并行系统的数学表示，适合于描述异步的、并发的模型。Zhaoli Zhang等人将Petri网用于学问流建模5，类似地，本文将运用Petri网对行为流进行建模。在基于Petri网的行为流模型中，可用库所来表示行为的载体，用变迁表示行为元。物料、能量、信号等输入通过行为在不同节点之间流淌。输入可由库所中的托肯来表示。行为流的流淌方向可以用有向弧来表示。 依据行为流的性质，建立行为流模型BF=(S,T;F,M0,D0) ，满意以下条件： 1）S为库所集合，每个库所可代表不同结构的不同状态或行为输入输出； 2）T为变迁集合，每个变迁表示一个行
11、为； 3）M0为托肯集合，表示行为流执行状态；D0是库所和变迁的描述集合； 4）|S|大于等于2，|T|大于等于1, ST=?堙； 5）F?哿(ST) (TS) ； 6）dom(F) cod(F)=ST，其中： 图3所示是一个简洁行为流Petri网模型，用于表示发动机的四个行为，进气、压缩、燃烧、排气，该行为流处于较高层次。 3 基于行为流学问库的概念设计框架 依据FBS模型，概念设计功能-结构的映射可以分为两个步骤：功能-行为映射，行为-结构映射。本文依据行为流，提出一种基于行为流学问库的概念设计计算机框架，如图4所示。在本框架中，功能-行为映射实现通过功能与行为流的匹配实现，行为-结构映射
12、过程干脆在行为流-结构映射表中查询行为流对应的设计结构，从而实现功能到结构的间接映射，并且这两步映射都须要用到行为流学问库。该框架的实现存在两个要解决的问题：一是如何建立行为流学问库，二是功能如何与行为流进行匹配。 3.1 学问库的设计 行为流学问库是产品概念设计学问集合，包括行为流库、行为流-结构映射表及结构库。行为流库是行为流模型信息的集合，分为基础库和高级库两个部分。基础库是不行分解或不需分解行为对象，包括行为元及一些常用简洁行为，基础库行为是简洁的行为流。高级库是由基础库行为通过并联和串联操作生成且具有特定功能的行为流对象。行为流对象可以由以下数据结构表示： Struct Behavi
13、orFlow ID: 行为流唯一标识； Function: 行为流实现的功能描述； Input:行为流输入 Output:行为流输出 IsMetaBehavior: 是否为基础行为； StateVariables: 行为流状态变量； SubBehaviorList: 子行为流序列； 结构库是概念设计产品组件和零件的学问集合，每个结构对象由唯一的标识ID、结构元素信息集合、元素属性以及元素关系集合组成。一个行为流的执行过程可能涉及多个结构对象，因此行为流与结构之间是一对多的映射。行为流-结构映射表由行为流ID及结构ID列表构成，反映行为流与结构间一对多关系，行为流与结构之间的映射通过查询该表实现
14、。 行为流学问库内容构建须要产品概念设计领域专家与学问库构建者共同参加，并且在设计过程中不断增加新的学问，从而不断完善。 3.2 功能与行为流匹配 功能是客观的，而行为流是客观的，因此要从功能映射到行为流是本框架的一个难点。林晖等人的探讨认为功能与行为之间存在一对多关系6，而功能对应行为集合之间逻辑关系即是行为流，因此功能与行为流之间存在映射关系。 要实现功能与行为流匹配，首先要解决功能的表达问题。在以往的探讨中，功能有很多表达方式，包括动名词对、输入输出流转换及功能特征表达7等，其中输入输出流转换方式适用于本框架中功能与行为流匹配实现。通过功能与行为流对象Function、Input、Out
15、put属性进行匹配实现功能-行为流映射，可采纳模糊匹配算法。框架列出满意设计者设定匹配度要求的对应行为流，由设计者选取最合适的匹配，也可对其进行一些修改。在没有满意要求匹配的状况下，可对功能进行功能分解，再对子功能进行行为流匹配，功能分解可采功能分解迭代模型8。假如某个子功能已是功能元，无法进一步分解，并且没有合适的匹配，则须要设计者设计新的行为流。新设计的行为流或修改过的行为流更新到行为流学问库中，为以后的设计供应帮助。功能与行为流匹配算法如图4所示。 3.3 基于行为流框架的产品创新设计 产品创新的本质在于用特别规的方法获得具有开创性的设计方案，为了得到新奇的设计，必需从不同思维的角度动身
16、，得到同一设计需求的一系列解，并选取最具创新性的方案。在基于行为流学问库的产品概念设计框架下，产品创新设计可从两个不同角度进行。其一是在功能分解阶段，可在功能分解的不同层次实现功能与行为流映射，从而得到不同的行为流解决方案。其二是功能与行为流匹配阶段，设计者可设计不同的行为流实现相同的功能，从而实现产品创新。 4 结论 本文在行为流概念的基础上，提出一种基于行为流学问库的功能-结构智能映射框架，该框架可在较高层次实现设计学问重用。该框架可用于开发计算机协助概念设计工具，用来协助设计者进行新产品概念设计。 参考文献： 1 Kumara S R T,Kamarthi S V.Function-to
17、-Structure Transformation in Conceptual Design: an Associative Memory-Based ParadigmJ.Journal of Intelligent Manufacturing,11011(2):281-292. 2 Gero J S,Kannengiesser U.The situated function-behavior-structure frameworkJ.Artificial Intelligence in Design,2002:89-104. 3 Per Galle.The ontology of Geros
18、 FBS model of designingJ.Design Studies,2022,30:321-339. 4 陈建国,潘云鹤.基于空间探究的创建性设计方法的探讨J.计算机协助设计与图形学学报,2000,12(6). 5 Zhaoli Zhang,Zhongkai Yang,Qingtang Liu.Modeling knowledge flow using Petri netC.International Symposium on Knowledge Acquisition and Modeling,2022. 6 林晖,贾海波,等.设计过程框架中的行为与功能映射模型的探讨J.计算机协助设计与图形学学报,2002,14(2). 7 郝泳涛,秦琴.产品的特征功能表达模型及基因编码J.同济高校学报,2022,37(6). 8 韩文雅,郝泳涛.基于学问的产品功能分解迭代模型J.电脑学问与技术,2022,5(30). 注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文 第11页 共11页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页