CN104615796A - 基于复杂关系网络的发动机产品建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于复杂关系网络的发动机产品建模方法，所述产品建模方法至少包括以下步骤：1）基于多维粒度转化拓扑关系网络构建复杂产品关系网络；2）利用网络的信息流传递产品设计过程中的更新信息。本发明先是从构建产品复杂关系网络开始，基于多维粒度转化拓扑关系网络，继而在此基础上，利用网络的信息流传递产品设计过程中的更新信息。在此过程中，本发明运用了传染病模型解决信息传播过程中复杂度不断增加的弊端，从而使产品的整体更改能迅速适应需求的更新。该方法具有简洁、可行、有效和实用的特点，可以用于产品设计集成化、智能化的研究与开发。

Description

基于复杂关系网络的发动机产品建模方法

技术领域

本发明涉及一种产品智能设计的方法，具体地说，涉及基于复杂关系网络模型、应用于复杂产品建模与设计的方法，属于汽车工程和计算机工程结合的领域。

背景技术

复杂产品的关系网络是一个巨大的非线性的关系网络，要建立一种拓扑结构模型来描述这种巨大的非线性的复杂网络。这个模型以拓扑关系网络为基础，针对复杂系统多维性进行维度分解和维度归并约简。通过对一定维度拓扑关系网络进行基于一定粒度的层次展开操作，而封装了其内部拓扑结构并通过结点整体的性质表征其内部结构的性质。这个模型可以灵活地对单个结点进行展开操作，并可进一步递归地进行展开，最终可以得到一系列不同展开高程差的具体视图，据此可以实现复杂产品复杂网络的拓扑结构和拓扑形状及其表征特性的分析。

在复杂关系网络中，产品设计信息的传递以行为作为路径，通过复杂产品的子部件行为发生的改变来传播信息，引起与之相关的其他子部件行为、功能、结构的更改变化，并且随着这个产品关系网络传递到整个产品结构中去，形成了与其关联的其他结构系统的更改，进而再引起更多的结构功能的更改，网络结构是根据网络中节点的内容，节点状态以及节点之间的关系发生变化，是一个动态的过程。利用复杂关系网络可以对设计信息快速传播和表达，以快速应对产品设计要求的更新和升级。

近年来，国内许多学者也积极投身于复杂网络的研究中来，并取得了一些研究成果。李翔等提出了局域世界演化网络模型，并以世界贸易网为例对该模型的特性进行了研究。狄增如等对加权网络进行了较深入研究，并以科学家合作网为例对加权网络的特性进行了研究。史定华等对网络演化机理进行了研究，提出了网络演化的新模型。除此以外，史定华等人还建立了复杂网络结点度的演化与非齐次马氏链的联系，为复杂网络中应用成熟的随机过程理论打开了大门。何阅和何大韧等对一些实际网络进行了实证研究，在此基础上，提出了双粒子图自适应演化模型。章忠志等对合作网络进行了较深入的研究，提出了一类合作网络的演化模型。

郭于明等用小世界网络模型对复杂网络动态特性进行分析是一个新的研究热点。从产品开发网络系统固有特性出发，对设计变更的传播过程进行了分析。在构建具有小世界聚类特性的PD网络基础上，对设计变更分步扩散过程进行了分析，并用改进蚁群算法求得传播能力最强的变更传播路径及其关键节点，与传统的遗传算法比较，计算效率大大提高，且易于实现。要提高整个系统的设计敏捷性，必须加强求得的变更路径关键节点的保护，扩大设计参数公差范围，避免由于这些节点造成变更传播的雪崩式效应，减少大规模变更发生的概率，将产品开发的时间成本降低到最低水平。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于复杂关系网络的发动机产品建模方法，用于对复杂产品进行对应的复杂关系网络的建模和分析，然后利用复杂网络模型对设计信息快速传播。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于复杂关系网络的发动机产品建模方法，所述产品建模方法至少包括以下步骤：

1）基于多维粒度转化拓扑关系网络构建复杂发动机产品关系网络；

2）利用网络的信息流传递发动机产品设计过程中的更新信息。

优选地，所述步骤1）中的所述复杂产品关系网络是非线性关系网络。

优选地，所述步骤1）中的网络是一个包含了大量个体以及个体之间相互作用的系统，是把某种现象或某类关系抽象为个体以及个体之间相互作用而形成的用来描述这一现象或关系的图。

优选地，所述步骤1）中的网络G=(V，E)作为图论的概念是指由一个点集v(G)和一个边集E(G)组成的一个图，且E(G)中的每条边ei有v(G)的一对点（u，v）与之对应，记顶点数为N=|V|，边数为L=|E|。

优选地，所述步骤2）利用网络的信息流传递产品设计过程中的更新信息采用传染病模型。

优选地，所述的传染病模型包括SI模型、SIS模型或SIR模型。

优选地，所述步骤2）的更改信息使得复杂关系网络由某一种稳定状态变迁至另一种稳定状态。

优选地，所述产品为发动机。

本发明先是从构建产品复杂关系网络开始，基于多维粒度转化拓扑关系网络，继而在此基础上，利用网络的信息流传递产品设计过程中的更新信息。在此过程中，本发明运用了传染病模型解决信息传播过程中复杂度不断增加的弊端，从而使产品的整体更改能迅速适应需求的更新。该方法具有简洁、可行、有效和实用的特点，可以用于产品设计集成化、智能化的研究与开发。

附图说明

图1显示为本发明复杂产品拓扑关系网络模型。

图2显示为本发明基于选择性传播的复杂产品关系网络演化模型。

图3显示为本发明发动机进气冲程示意图。

图4显示为本发明发动机压缩冲程示意图。

图5显示为本发明发动机做功冲程示意图。

图6显示为本发明发动机排气冲程示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅附图所示。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

产品的复杂关系网络的系统建模

产品设计的复杂性动力学演化是基于复杂产品的动态设计过程中提出的问题，首先就要研究复杂产品的建模问题。产品复杂关系网络是一个静态的网络可以通过多维粒度转化拓扑关系网络模型进行建模。

多维粒度转化拓扑关系网络模型

多维粒度转化拓扑关系网络模型是对复杂产品多维度多粒度展开而构建的，是复杂产品及其复杂网络建模的整体方法，从总体上降低复杂产品研究的复杂性，进一步简化了复杂产品及其关系网络的建模与分析。

复杂产品的关系网络是一个巨大的非线性的关系网络，要建立一种拓扑结构模型来描述这种巨大的非线性的复杂网络。这个模型以拓扑关系网络为基础，针对复杂系统多维性进行维度分解和维度归并约简。网络是一个包含了大量个体以及个体之间相互作用的系统，是把某种现象或某类关系抽象为个体（顶点）以及个体之间相互作用（边）而形成的用来描述这一现象或关系的图。

可以引入无向图的概念来表示产品的复杂关系网络。网络G=(V，E)作为图论的概念是指由一个点集v(G)和一个边集E(G)组成的一个图，且E(G)中的每条边e_i有v(G)的一对点（u，v）与之对应。记顶点数为N=|V|，边数为L=|E|。

定义1：度

一个顶点的度是指与此顶点连接的边的数量，即

$d_v=\underset{l\∈E}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\δ}}_l^v$

其中取值为1，当路径l包含顶点v，否则为零，即

δ^uv表示顶点相邻

定义2：复杂产品拓扑关系网络模型中的度

复杂系统中子部件与其他子部件相接触的数量，或子系统与其他子系统相关联

表示复杂系统中子部件P_n与P_m相接触

其中取值为1，当子部件P_n与P_m相接触，否则为零，即

表示复杂系统中子系统S_n与S_m相关联

其中取值为1，当子系统S_n与S_m相接触，否则为零，即

如图1所示为复杂产品拓扑关系网络模型，使用多维粒度的方法对复杂产品的静态关系也就是结构建模。首先使用图论的方法对复杂网络子系统间关系进行建模。把真实的复杂网络系统抽象成一些节点和一些线条，节点代表研究的对象个体，线条则代表了这些个体之间的相互作用关系。复杂产品是由数量巨大的子系统以及更小的子系统组合在一起形成的，图1表示的是复杂系统子系统之间的关系，相关联的两个子系统间用粗线相连接，S=(S_1,S_2,...,S_n)是图中节点集合，表示复杂系统中各子系统，每个子系统可以包含若干个子部件，P=(P_1,P_2,...,P_n)表示复杂系统子系统中子部件，节点内容包含子部件设计参数，相接触的两个子部件间用细线相连接。

2复杂网络环境中的信息传播及演化模型

传染病模型

在传染病动力学中，长期以来主要使用的数学模型是所谓的”仓室″模型，即根据传染病的传播特点，将总种群分为若干个子种群，每个子种群在传染病传播过程中所处的位置或担当的角色相当，每个这样的子种群被称为一个仓室．常用的仓室有：易感类(S)（Susceptible），该类成员没有染上病毒，也没有免疫能力，可以被传染上病毒；已感染类(I)（Infective），该类成员已经成为真正的患者，能够把病毒传染给S类成员；移除类(或免疫类)(R)（Removed），该类成员为治愈者或因患病死亡，治愈者已经具有免疫力，不再对其它成员产生任何影响。

本发明中，采用的传染病模型包括SI模型（不考虑病人治愈的传染病模型），SIS模型（病人可治愈，但无免疫力的传染病模型），SIR模型（病人治愈后拥有抗体）

传染病模型应用于复杂产品建模

定义1：触发

复杂产品的子部件由于外力的作用发生行为的改变引起与之相关的其他子部件行为发生相应的改变

B=(B₁,B₂,...,B_n)表示产品复杂关系网络模型中各子部件的行为的集合

F=(F₁,F₂,...,F_n)表示产品复杂关系网络模型中作用于子部件的外力的集合

B₂，B₁与B₂相互关联，如果且称为B₁触发B₂，其中

表示外力F₁作用于B₁，使行为B₁变为B₁′

由于F₁→B₁可以看成是作用于B₂外力，因此F₁→B₁=F₂

定义2：传染

人和高等动物会受到各种病原微生物的侵害，当这些病原微生物侵入机体后，在一定条件下他们会克服机体的防御机能，破坏机体内部环境的相对稳定性，在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理过程，这个过程称为传染。也可指通过语言或行动引起他人相同的思想感情和行为。

定义3：产品复杂关系网络模型中的传染

信息的传递以行为作为路径，通过复杂产品的子部件行为发生的改变来传播信息，引起与之相关的其他子部件行为、功能、结构的更改变化，并且随着这个产品关系网络传递到整个产品结构中去，形成了与其关联的其他结构系统的更改，进而再引起更多的结构功能的更改，网络结构是根据网络中节点的内容，节点状态以及节点之间的关系发生变化，是一个动态的过程。

产品复杂关系网络中的传染过程主要是信息的传递，产品的复杂关系网络在没有外部信息输入的条件下是静止的，可以用静态网络来表示。外部信息的输入会改变原先静态网络中的节点内容，并引起与之相关联的其他节点发生相应的改变，以适应整个复杂网络的更改，在复杂关系网络的动态网络层次中，节点之间的关系体现为产品部件之间的行为关系。

结合传染病传播模型，我们将复杂关系网络中的节点分为三类：传播节点，未感染节点和免疫节点。

定义4：传播节点

该节点接受来自其上层节点传播的信息，并具有传播该信息的能力，在复杂关系网络中体现为接受设计更改信息的零件所代表的节点

定义5：未感染节点

该节点没有接受过来自其上层节点传播的信息，并且有机会接受该信息，在复杂关系网络中体现为还未接受设计更改信息的零件所代表的节点；

定义6：免疫节点

该节点已经接受过来自其上层节点传递的信息，但是不具有传播能力，在复杂关系网络中体现为某些不能更改的核心零部件所代表的节点。

节点在传播状态，未感染状态和免疫状态之间的转移不仅依赖与节点自身的状态，还与上层节点的状态相关，因此基于疾病传播的复杂性扩张模型可描述为：

1，如果一个传播节点的下层节点中有一个未感染节点，则未感染节点会以一定概率成为一个传播节点；

2，如果一个传播节点的下层节点中有一个免疫节点，传播节点会以一定概率成为一个免疫节点；

在复杂关系网络中，由于设计更改的传入，更改信息会沿着复杂关系网络在节点之间传递，这种信息的传递会引起复杂关系网络中更多的节点内容变化，进而通过复杂关系网络引发与之相关联的节点内容变化。

但是由于免疫节点的存在，信息的传递不会无休无止的传递下去，这种情况就意味着：

1，免疫节点代表设计更改到此不能传递下去，存在更改冲突，可提交设计人员解决；

2，免疫节点代表设计更改到此不能传递下去，说明设计更改信息到此传播正常结束。

所以，更改信息会使得复杂关系网络由某一种稳定状态变迁至另一种稳定状态，传染病需要接触才能传播，而复杂产品子部件状态的改变也是由于其他子部件与它接触，可以用渗流模型来解释复杂系统行为改变的动力来源，称为基于传染病模型和渗流模型的复杂产品关系网络模型。

如图2所示，方矩形部分表示整个复杂系统，其中包含多个子系统，而这些子系统彼此相接触，用黑色粗线条表示。同时每个子系统又由多个子部件构成，这些子部件同样相互接触，用黑色细线条表示。S₄子系统表示正在发生改变的子系统，即复杂系统属性和结构发生改变的动力来源。可以看到，在复杂系统演化过程中，子系统中的子部件属性发生了改变（用颜色变化来表示，如第一个子系统中P₁经过演化后变成了紫色），同时又引起P₂属性的改变，这一系列的改变同时也造成子系统结构的改变（如S₁子系统经过演化后不再与S₆接触而是与S7接触），而这些改变同时又带动周围子部件的改变，从而改变整个复杂系统的行为与结构。

下面以传染病模型应用于汽车发动机设计作为实施例，发动机是汽车的动力源，是将燃料燃烧产生的热能转变为机械能的机器。

冲程发动机工作原理

(1)进气冲程(intake stroke)

请参阅图3所示，行为传递的过程如下：曲轴在外力作用下转动（B1）通过连杆（B2）使活塞从上止点向下止点运动（B3），并带动飞轮旋转（B4），同时曲轴上的齿轮通过凸轮轴上的齿轮带动凸轮轴转动（B5），使进气门打开（B6），排气门关闭（B7），可燃混合气进入气缸（B8），活塞移动使汽缸容积逐渐增大，气体压力减小，温度升高。

(2)压缩冲程(compression stroke)

请参阅图4所示，飞轮由于惯性继续转动（B4）带动曲轴旋转（B1），曲轴又通过连杆(B2)带动活塞从下止点向上止点运动(B3)，同时凸轮轴继续转动（B5)使进气门关闭（B6）。活塞上移时使工作容积逐渐缩小，缸内混合气受压缩后压力和温度不断升高。

(3)做功冲程(power stroke)

请参阅图5所示，压缩冲程结束后，火花塞点火(B7)，混合气燃烧释放出大量的热能，使汽缸内气体的压力和温度迅速提高。进气门、排气门均关闭，活塞在高温高压的燃气推动作用下从上止点向下止点运动（B3），并带动连杆（B2）使曲轴转动（B1）对外输出机械能，同时带动飞轮（B4）与凸轮轴转动（B5）。

(4)排气冲程(exhaust stroke)

请参阅图6所示，飞轮由于惯性继续转动（B4）带动曲轴旋转（B1），曲轴又通过连杆(B2)带动活塞从下止点向上止点运动(B3)，同时带动凸轮轴继续转动（B5)使排气门开启（B7），向缸外排出废气。

图中B₁，B₂，B₃，B₄构成曲柄连杆机构，是发动机的一个子系统用S₁表示，B₅，B₆，B₇，B₈构成配气机构，保证气缸适时换气，也是发动机的一个子系统用S₂表示。

a-2进气冲程行为传递模型

b-2压缩冲程行为传递模型

子部件	行为	含义	触发
				P4	B4	飞轮旋转	B1
P1	B1	曲轴旋转	B2，B5
				P2	B2	连杆向上运动	B3
P3	B3	活塞向上运动
				P5	B5	凸轮轴旋转	B6

P6

B6

进气门关闭

c-2压缩冲程行为传递模型

子部件	行为	含义	触发
				P10	B10	火花塞点火	B3
P3	B3	活塞向下运动	B2
				P2	B2	连杆向下运动	B1
P1	B1	曲轴旋转	B4，B5
				P4	B4	飞轮旋转
P5	B5	凸轮轴旋转

d-2压缩冲程行为传递模型

子部件	行为	含义	触发
				P4	B4	飞轮旋转	B1
P1	B1	曲轴旋转	B2，B5
				P2	B2	连杆向上运动	B3
P3	B3	活塞向上运动
				P5	B5	凸轮轴旋转	B7
P7	B7	排气门开启	B9
				P9	B9	向缸外排出废气

本发明先是从构建产品复杂关系网络开始，基于多维粒度转化拓扑关系网络，继而在此基础上，利用网络的信息流传递产品设计过程中的更新信息。在此过程中，本发明运用了传染病模型解决信息传播过程中复杂度不断增加的弊端，从而使产品的整体更改能迅速适应需求的更新。该方法具有简洁、可行、有效和实用的特点，可以用于产品设计集成化、智能化的研究与开发。主要创新点包括：

1、多维粒度转化拓扑关系网络模型。复杂产品拓扑关系网络模型，使用多维粒度的方法对复杂产品结构建模。首先使用图论的方法对复杂网络子系统间关系进行建模。把真实的复杂网络系统抽象成一些节点和一些线条。这个模型可以灵活地对单个结点进行展开操作，并可进一步递归地进行展开，最终可以得到一系列不同展开高程差的具体视图，据此可以实现复杂产品复杂网络的拓扑结构和拓扑形状及其表征特性的分析。

2、传染病模型应用于复杂产品建模。产品的更改信息会使得复杂关系网络由某一种稳定状态变迁至另一种稳定状态，传染病需要接触才能传播，而复杂产品子部件状态的改变也是由于其他子部件与它接触，使其结构或行为发生改变，因此可用传染病模型来描述和表示复杂系统，可以用渗流模型来解释复杂系统行为改变的动力来源。

综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种基于复杂关系网络的发动机产品建模方法，其特征在于，所述产品建模方法至少包括以下步骤：

1）基于多维粒度转化拓扑关系网络构建复杂发动机产品关系网络；

2）利用网络的信息流传递发动机产品设计过程中的更新信息。

2.根据权利要求1所述的基于复杂关系网络的发动机产品建模方法，其特征在于，所述步骤1）中的所述复杂产品关系网络是非线性关系网络。

3.根据权利要求1所述的基于复杂关系网络的发动机产品建模方法，其特征在于，所述步骤1）中的网络是一个包含了大量个体以及个体之间相互作用的系统，是把某种现象或某类关系抽象为个体以及个体之间相互作用而形成的用来描述这一现象或关系的图。

4.根据权利要求1所述的基于复杂关系网络的发动机产品建模方法，其特征在于，所述步骤1）中的网络G=(V，E)作为图论的概念是指由一个点集v(G)和一个边集E(G)组成的一个图，且E(G)中的每条边e_i有v(G)的一对点（u，v）与之对应，记顶点数为N=|V|，边数为L=|E|。

5.根据权利要求1所述的基于复杂关系网络的发动机产品建模方法，其特征在于，所述步骤2）利用网络的信息流传递产品设计过程中的更新信息采用传染病模型。

6.根据权利要求1所述的基于复杂关系网络的发动机产品建模方法，其特征在于，所述的传染病模型包括SI模型、SIS模型或SIR模型。

7.根据权利要求1所述的基于复杂关系网络的发动机产品建模方法，其特征在于：所述步骤2）的更改信息使得复杂关系网络由某一种稳定状态变迁至另一种稳定状态。