CN105893671A - 一种基于扩展概念图的复杂机电产品系统设计模型的校验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于扩展概念图的机电产品系统设计模型的校验方法，包括：步骤1，利用本发明提出的基于关系的静态属性模型对静态需求进行形式化表示；步骤2，将步骤1中形式化表示的需求转换成本发明提出的扩展概念图表示；步骤3，将SysML表示的系统设计模型转换成扩展概念图表示；步骤4，在步骤2和步骤3得到的扩展概念图元素之间进行投影操作，将未实现或者错误实现的静态需求条目进行显式标注，得到校验结果。本发明中，模型校验方法与设计同步，充分考虑了复杂机电产品系统设计的特点，高效准确，在产品设计活动中具有很高的实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及计算机建模技术领域，具体涉及一种基于扩展概念图的复杂机电产品系统设计模型的校验方法。
背景技术
在复杂机电产品的设计过程中，如何高效准确地进行模型校验，保证系统级设计模型的正确性，在提高设计准确性，缩短设计周期，降低设计成本等方面起着重要作用。传统的先设计再校验的方法忽视了早期设计阶段的校验，直到设计后期才能发现设计缺陷，修改代价大，设计周期长。
面对激烈的市场竞争，企业应在最短的时间内将产品推向市场，因此对如何缩短设计周期提出了更高的要求。传统校验在设计完成之后进行，且主要依靠设计人员手工完成各项设计校验任务，设计周期长，不能满足企业需求。
现有技术中的传统校验方法可能导致一系列问题，如系统设计阶段的错误无法得到重视及修改，耗时长，容易出错等，而且现有自动模型校验技术着重于需求语义描述的研究，尚不存在一种简单易用的自动模型校验方法。
发明内容
本发明提出了一种基于扩展概念图的机电产品系统设计模型的校验方法，通用性强，实用价值高。
一种基于扩展概念图的机电产品系统设计模型的校验方法，包括：
步骤1，利用基于关系的静态属性模型对静态需求进行形式化表示；
步骤2，将形式化表示的需求转换成扩展概念图表示；
步骤3，将SysML表示的系统设计模型转换成扩展概念图表示；
步骤4，在步骤2和步骤3得到的扩展概念图中的元素之间进行投影操作，将未实现或者错误实现的静态需求条目进行显式标注，得到校验结果。
针对功能需求和系统设计模型，利用本发明提出的扩展概念图对二者进行统一表示，然后在统一表示的功能需求和系统设计模型之间进行投影，将未实现或者错误实现的需求条目显式标注出来，从而对这些条目进行重新设计。
本方法中用到的功能需求和系统设计模型均用SysML中的元素表示，通用性强，有很高的实用价值。
本发明首先针对功能需求中的静态需求，提出基于关系的静态属性模型，利用该模型对需求图中的需求条目进行形式化表示；其次，针对系统设计模型中的结构层次信息对概念图进行扩展，提出扩展概念图，将形式化表示的功能需求和SysML表示的系统设计模型均转换为扩展概念图表示；最后，在由扩展概念图统一表示的功能需求和系统设计模型之间进行投影，将未实现或者错误实现的需求条目进行显式标注，从而完成整个系统设计模型校验过程。
形式化模型将自然语言表示的需求条目抽象成由关系连接的概念集，便于计算机进行自动处理，优选地，所述基于关系的静态属性模型包括由本体构建的知识：基本语义元素和映射逻辑关系，其中，基本语义元素包括词汇和符号，映射逻辑关系包括实体-类型映射集合和类型-类型映射集合。
词汇包括：概念词、关系词和助词，其中，概念词包括：描述具体对象的实体词和描述具体对象所属类型的类型词，一个实体词和对应的类型词构成一个概念词；
符号是用一些数学符号来表示特定语义；
实体-类型映射集合指定实体及其所属类型的对应关系；
类型-类型映射集合，指定基于关系的静态属性模型中概念类型和扩展概念图中概念类型之间的对应关系。
所述扩展概念图以概念图为基础，增加标签、关系的度和概念的阶的定义，其中，标签用于区分不同概念、不同关系或者不同扩展概念图，关系的度用于区分连接概念数目不同的关系，概念的阶表示概念的层次结构。
本发明中以扩展概念图作为功能需求和系统设计模型之间映射的中间表示形式，能够支持系统设计模型中结构层次的表示。由概念图出发，针对复杂机电产品系统设计表示的需要，对概念图中的顶点、边赋予系统设计特定的含义，并且增加阶的概念对结构层次进行描述，提出扩展概念图。
所述扩展概念图中定义的本体知识包括：概念类型树、关系类型森林、以及概念到非零阶扩展概念图的映射集合，其中，概念类型树和关系类型森林均按照继承关系组织。
作为优选，步骤2，具体包括：
步骤2-1，提取静态属性表示语句中的元素，根据元素的属性对应到关系或者概念；
步骤2-2，确定概念之间的连接关系和层次结构，将静态属性表示语句的线性形式转化为图形式；
步骤2-3，通过基于关系的静态属性模型中定义的类型-类型映射，将静态属性表示语句中的类型转换为扩展概念图中的类型。
作为优选，步骤3，具体包括：
步骤3-1，将系统设计模型中的元素转换成相应的扩展概念图元素；
步骤3-2，获取系统设计模型中元素的特征标签，确定对象类型；
步骤3-3，确定扩展概念图中元素之间的连接关系和层次结构。
作为优选，步骤4的投影操作包括：概念到概念的投影、关系到关系的投影、概念到扩展概念图的投影。其中，概念到概念的投影是最基本的投影，主要通过判断概念之间有无继承关系来实现，关系到关系的投影在关系词本身有继承关系的前提下，判断是否每个对应的概念词都存在继承关系，概念到扩展概念图的投影是通过判断它们标签的对应是否存在于概念到扩展概念图的映射集合中。
本发明可以准确高效地在功能需求和系统设计模型之间进行映射，完成系统设计模型校验，可以集成在系统设计工具中，自动实现系统设计和模型校验的同步，有效缩短了设计周期，降低了修改代价。
附图说明
图1为本发明提出的基于关系的静态属性模型的基本组成；
图2为功能需求从自然语言到基于关系的静态属性模型表示的转换示例；
图3为交通灯功能需求的扩展概念图表示；
图4a和图4b为交通灯系统设计模型的扩展概念图表示；
图5为交通灯功能需求的投影结果；
图6为本发明基于扩展概念图的机电产品系统设计模型的校验方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明基于扩展概念图的机电产品系统设计模型的校验方法做详细描述。
首先，对SysML需求图中自然语言表示的功能需求进行形式化表示，从而方便计算机处理。为了避免自然语言的歧义性和模糊性，本发明提出了一种基于关系的静态属性模型，设计人员手工地将需求图中的需求条目转换成基于关系的静态属性模型表示。
然后，针对系统设计模型中的结构层次信息，在概念图的基础上，提出扩展概念图。将形式化表示的需求和SysML表示的系统设计模型统一转换成扩展概念图表示。
最后，在统一用扩展概念图表示的需求和系统设计模型之间进行投影，校验是否所有需求都得到正确实现，将未实现或者错误实现的需求条目显式标注出来，方便设计人员对这些条目重新设计。
如图6所示，具体步骤如下：
步骤1，对需求进行形式化表示。
首先，提出基于关系的静态属性模型。
针对复杂机电产品系统设计阶段静态属性模型校验的需要，提出一种基于关系的静态属性模型，该模型是一种轻量级的形式化表示模型，易于理解，方便计算机处理。
基于关系的静态属性模型旨在表达原始需求中静态属性的结构化信息，设计原则是：(1)专注于静态属性；(2)简单易用；(3)可扩展。图1给出了该模型的主要框架，由本体构建的知识：基本语义元素和映射逻辑关系两个部分组成，其中基本语义元素主要包括词汇和符号，映射逻辑关系主要包括实体-类型映射集合和类型-类型映射集合；
每一个形式化需求语句对应需求中的一个静态子结构，由词汇和符号遵循特定的语法规则组成。词汇主要包括概念词、关系词和助词，其中概念词由实体词和类型词组成，关系词包括类型判断词、类型关系词，交互词等，助词用来辅助关系词。符号用来辅助构建语义，例如“！”表示否定，“*”表示数量多个。构成词汇的合法字符是数字、英文字母和”_”，词汇以”_”或者英文字母开头。
根据连接的概念片(conceptual slice)的数目，关系类型词可以分为二元关系类型词和三元关系类型词，相应的，基于关系的静态属性模型有两种形式，如下所示：
[conceptual slice][relation][conceptual slice]
[conceptual slice][relation][conceptual slice][auxiliary][conceptualslice]
此处概念片可以是简单概念或者形式化的需求语句。简单概念是一个词汇对，由实体词和类型词组成。实体词描述具体对象，类型词描述具体对象所属的类型，不同的实体词可能对应到同一类型词。
实体-类型映射集合用来明确实体所属的类型，类型-类型映射集合用来指出基于关系的静态属性模型中的类型和扩展概念图中类型之间的对应关系，通过这种映射关系，基于关系的静态属性模型可以直接利用扩展概念图中定义的类型树对类型之间的关系进行判断。实体-类型映射集合和类型-类型映射集合用本体形式进行存储。基本语义元素和映射逻辑关系由专家构建，质量好坏直接影响到模型校验的可靠性。
其次，将自然语言表示的需求条目转化为基于关系的静态属性模型表示。
基于关系的静态属性模型提出之后，设计人员可以将自然语言表示的需求转化成基于关系的静态属性模型进行形式化表示。例如，交通灯紧急模式需求条目的自然语言表示和基于关系的静态属性模型表示如图2所示，其中需求条目被简化为由关系词连接的多个概念词(概念词可以是另一个需求条目)，概念词由实体词和类型词组成。
例如，图2中(交叉口控制器：控制器)为概念词，遵循为关系词，交叉口控制器为实体词，控制器为类型词。
步骤2，基于关系的静态属性模型表示的需求和SysML表示的系统设计模型统一转换成扩展概念图表示。
首先，针对系统设计模型中的结构层次关系，在概念图的基础上，提出扩展概念图。
概念图被选择作为中间表示形式来实现从基于关系的静态属性模型表示的需求到SysML表示的系统设计模型之间的对比映射。概念图是一种基于图的知识形式化表示方法，为支持系统设计模型中结构层次信息的表示和从一个功能到实现它的多个组件的投影，对概念图进行扩展，提出扩展概念图。
在定义上，扩展概念图增加了标签、关系的度和概念的阶等概念。在同一项目中，标签作为区分不同概念、关系或者扩展概念图的标记。关系的度用来区分二元关系和三元关系。概念的阶是它的子概念的阶的最大值加1，用来表示概念的层次结构，若概念不包含子概念，则它的阶为0。
依据扩展概念图依赖的知识定义本体，包括概念类型集合Tc、关系类型集合Tr、概念到非零阶扩展概念图的映射集合Te。概念类型集合Tc和关系类型集合Tr中的元素都是按照继承关系组织在一起的。其中即关系r的类型由它的标签和它连接的概念节点的类型来表示。
扩展概念图之间的投影包括概念到概念的投影、关系到关系的投影以及概念到非零阶扩展概念图的投影，对不同的投影进行形式化表示。本体的定义和投影规则的形式化表示是自动模型校验工作的基础。
其次，将基于关系的静态属性模型表示的需求转换成扩展概念图表示。
为得到扩展概念图表示的需求，首先，提取形式化后需求中的元素，根据其属性对应到关系或者概念；其次，确定概念之间的连接关系和层次结构，将静态属性表示语句的线性形式转化为图形式；最后，通过基于关系的静态属性模型本体中定义的类型-类型映射，将基于关系的静态属性模型中的类型转换为扩展概念图中的类型。
以交通灯紧急模式需求为例，需求的扩展概念图表示如图3所示，其中概念用长方形表示，关系用椭圆形表示，与关系连接的第一概念、第二概念和第三概念分别用实线、虚线和点虚线作区分。
最后，将SysML表示的系统设计模型转换成扩展概念图表示。
为得到扩展概念图表示的系统设计模型，首先，将系统设计模型中的元素转换成相应的扩展概念图元素；其次，获取系统设计模型中元素的特征标签，确定对象类型；最后，确定扩展概念图中元素之间的连接关系和层次结构。
以交通灯紧急模式需求为例，系统设计模型的扩展概念图表示如图4a、图4b所示(其中图4b是十字路口控制器对应到的部分，即图中的框内部分)，其中概念用长方形表示，关系用椭圆形表示，与关系连接的第一概念、第二概念和第三概念分别用实线、虚线和点虚线作区分。
步骤3，在扩展概念图表示的需求和系统设计模型之间进行投影，对未实现或者错误实现的需求进行显式标注
扩展概念图中不同元素之间的投影操作如下：
扩展概念图之间的投影可细分为概念到概念的投影、关系到关系的投影、概念到扩展概念图的投影，对不同的投影规则进行形式化表示。
关系到关系的投影在扩展概念图中最常见，以关系到关系的投影为例对形式化进行解释，关系r1到关系r2存在映射π:r1→r2的本质是：
T(r1)≥T(r2)
其中r1和r2是不同概念图中的不同关系，为检验它们之间是否存在映射，需检验在r1和r2是相同元关系的前提下，它们之间是否存在继承关系，即(T(r1),T(r2))是否存在于Tr中。
在扩展概念图表示的需求和系统设计模型之间进行投影，投影后的需求如图5所示。
本发明中，模型校验方法与设计同步，充分考虑了复杂机电产品系统设计的特点，高效准确，在产品设计活动中具有很高的实用价值。
Claims (8)
1.一种基于扩展概念图的机电产品系统设计模型的校验方法，其特征在于，包括：
步骤1，利用基于关系的静态属性模型对静态需求进行形式化表示；
步骤2，将形式化表示的需求转换成扩展概念图表示；
步骤3，将SysML表示的系统设计模型转换成扩展概念图表示；
步骤4，在步骤2和步骤3得到的扩展概念图中的元素之间进行投影操作，将未实现或者错误实现的静态需求条目进行显式标注，得到校验结果。
2.如权利要求1所述的基于扩展概念图的机电产品系统设计模型的校验方法，其特征在于，所述基于关系的静态属性模型包括由本体构建的知识：基本语义元素和映射逻辑关系，其中，基本语义元素包括词汇和符号，映射逻辑关系包括实体-类型映射集合和类型-类型映射集合。
3.如权利要求2所述的基于扩展概念图的机电产品系统设计模型的校验方法，其特征在于，词汇包括：概念词、关系词和助词，其中，概念词包括：描述具体对象的实体词和描述具体对象所属类型的类型词，一个实体词和对应的类型词构成一个概念词；
符号是用一些数学符号来表示特定语义；
实体-类型映射集合指定实体及其所属类型的对应关系；
类型-类型映射集合，指定基于关系的静态属性模型中概念类型和扩展概念图中概念类型之间的对应关系。
4.如权利要求1所述的基于扩展概念图的机电产品系统设计模型的校验方法，其特征在于，所述扩展概念图以概念图为基础，增加标签、关系的度和概念的阶的定义，其中，标签用于区分不同概念、不同关系或者不同扩展概念图，关系的度用于区分连接概念数目不同的关系，概念的阶表示概念的层次结构。
5.如权利要求1所述的基于扩展概念图的机电产品系统设计模型的校验方法，其特征在于，所述扩展概念图中定义的本体知识包括：概念类型树、关系类型森林、以及概念到非零阶扩展概念图的映射集合，其中，概念类型树和关系类型森林均按照继承关系组织。
6.如权利要求1所述的基于扩展概念图的机电产品系统设计模型的校验方法，其特征在于，步骤2，具体包括：
步骤2-1，提取静态属性表示语句中的元素，根据元素的属性对应到关系或者概念；
步骤2-2，确定概念之间的连接关系和层次结构，将静态属性表示语句的线性形式转化为图形式；
步骤2-3，通过基于关系的静态属性模型中定义的类型-类型映射，将静态属性表示语句中的类型转换成扩展概念图中的类型。
7.如权利要求1所述的基于扩展概念图的机电产品系统设计模型的校验方法，其特征在于，步骤3，具体包括：
步骤3-1，将系统设计模型中的元素转换成相应的扩展概念图元素；
步骤3-2，获取系统设计模型中元素的特征标签，确定对象类型；
步骤3-3，确定扩展概念图中元素之间的连接关系和层次结构。
8.如权利要求1所述的基于扩展概念图的机电产品系统设计模型的校验方法，其特征在于，步骤4的投影操作包括：概念到概念的投影、关系到关系的投影、概念到扩展概念图的投影。
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