CN108121530A - 一种多学科复杂产品的概念设计分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多学科复杂产品的概念设计分析方法，针对多学科复杂产品的设计阶段缺乏完整地建模过程和分析方法的现状，本发明通过基于量化矩阵的需求分析、基于功能知识库的功能分解、基于接口匹配的结构功能映射、基于设计结构矩阵的结构重组，以及面向SysML的模型表达这几个步骤，建立了一种支持多学科复杂产品概念设计阶段的全过程的建模分析方法，从而为设计者提供了有效的分析思路和理论支持，减少不良设计、提高设计效率。

Description

一种多学科复杂产品的概念设计分析方法

技术领域

本发明属于数字化设计与制造技术领域，更具体地说，本发明涉及一种多学科复杂产品的概念设计分析方法。

背景技术

在复杂产品设计过程中，系统工程是广泛应用的一种研制方式，覆盖了从系统需求分析、系统功能结构建模到系统物理组成构建等环节，目的是保证用户需求在系统的整个生命周期中都得到满足，使效率效益得到最大化。而随着产品复杂程度增加，在集成了多学科多领域的背景下，在解决不同领域间相互耦合的复杂性问题时，基于文档的系统工程难以满足当前的研发需求，基于模型的系统工程(Model-Based System Engineering，MBSE)成为最佳选择。其核心思想是从系统研发起点开始对系统设计相关的所有信息均进行模型化的集成表达，并以此为中心系统模型贯穿整个产品系统的生命周期。但现有的MBSE方法论只包含各阶段的建模过程，和以经验为基础的分析过程，缺乏严谨的分析理论和分析方法，而现存的分析理论难以结合SysML模型特点，不能面向SysML进行良好的表达，也难以支持全过程的模型建立。

发明内容

本发明的目的是克服上述不足，提供一种多学科复杂产品的概念设计分析方法。

本发明的一种多学科复杂产品的概念设计分析方法，包括以下步骤：

基于量化矩阵进行需求分析的步骤：由用户需求驱动，将用户需求映射到系统需求，然后将系统需求关系进行量化，建立关系矩阵，进行分析；

基于功能知识库进行功能分解的步骤：基于功能知识库的功能分解法，根据复杂产品多学科多领域的特点，首先要对系统功能进行模块划分，然后根据功能知识库进行匹配分解；

基于接口匹配进行功能结构映射的步骤：通过分析和检索将功能映射到结构，得到系统结构，对分析步骤和检索项进行细化，然后对映射结果进行独立性分析；

基于设计结构矩阵进行结构重组的步骤：基于设计结构矩阵对产品结构进行聚类操作，降低结构间的耦合度；

设计结果SysML模型描述步骤：将各流程的产出物结合SysML建模方法，进行描述。

作为本发明多学科复杂产品的概念设计分析方法的第一种优选，其中基于量化矩阵的需求分析步骤为：

根据产品属性，由技术人员建立本类产品的标准化需求描述库；

建立用户需求向系统需求的映射矩阵，应用质量功能展开的思想，将用户需求映射到系统需求中；同时扩展对需求关系的描述，对系统需求关系进行分析，对跟踪，继承，改善，满足这四种关系进行量化从而确定系统需求；

将得到的系统需求进行属性分析，分为功能性需求和非功能性需求，进行系统功能及产品约束；所述的功能性需求是描述系统功能的需求类型，所述的非功能性需求是其他类型的需求。

作为本发明多学科复杂产品的概念设计分析方法的第二种优选，其中基于功能知识库的功能分解步骤为：

将系统总功能按学科领域特点分解为各分系统的总功能，通过各分系统输入输出流变化来定义分系统总功能；

不同领域设计人员依照以下原则对各自分系统块进行功能分解：首先根据流的值类型变化进行分解，将值类型的变化定义为第一层功能分解的结果；然后将上一层分解得到的子功能，根据值变化，值空间变化，导数变化再次进行功能分解，形成下一层次的功能；

建立功能效应知识库，定义不需要再次分解的原子功能，以及该功能依据的物理和化学效应，和该效应导致的输入输出流变化类型；将上一步分析的结果通过匹配可以支持该变化的效应，进而分解到原子功能；而对于不能通过效应匹配到合适的原子功能的子功能，通过穷举法，根据输入输出流的变化类型对全部原子功能进行检索匹配，如不能找到，则根据专家意见，重新定义原子功能，并加入知识库中；从而得到完整的层次化的功能模型。

作为本发明多学科复杂产品的概念设计分析方法的第三种优选，其中基于接口匹配的功能结构映射步骤为：

建立本领域内功能-结构知识库，知识库中包含以下内容：功能-结构的直接映射关系，包含上一步定义的原子功能与支持该功能结构；功能-行为-结构映射，将较为复杂的原子功能，通过行为层的方式，进行细化，进而映射到结构中；

上一步分解得到的子功能，映射到原知识库中的原子功能的，按照功能-结构知识库的内容，映射到结构上，而对于无法映射的，需要分析该支持该功能的行为，进而映射到具体结构上；

完成功能-结构映射后，对映射结果进行评价，将功能-结构映射矩阵对功能结构间的关系进行分析，通过行列式的变换来判断该矩阵是独立矩阵、解耦矩阵还是耦合矩阵，若为耦合矩阵，对结构进行再一次映射。

作为本发明多学科复杂产品的概念设计分析方法的第四种优选，其中基于设计结构矩阵的结构重组步骤为：按照上一步形成的功能层次化结构进行反向重组，既将同一功能模块下的结构重组为一个结构模块，由底向上建立完整的结构模块。

作为本发明多学科复杂产品的概念设计分析方法的第五种优选，其中基于设计结构矩阵的结构重组步骤为：

根据设计结构矩阵对得到的全部原子结构进行聚类操作，将聚为一类的原子结构组成一个模块，得到系统结构后，将顶层的约束，向下分解，直到底层的设计约束，完成整个分析过程。

作为本发明多学科复杂产品的概念设计分析方法的第六种优选，其中设计结果SysML模型描述步骤为：

将得到的系统需求及需求关系，通过需求图的方式进行表达，并建立用例图，通过黑盒分析来定义涉众，明确系统边界；

将得到功能模型通过活动图的形式进行表达，确定不同功能间的逻辑关系(如串行，并行，输入输出)，同时，以模块定义图的方式，表达活动间的层次关系；

将结构重组完成后，用包图来描述各结构模块间的层次关系，使用模块定义图及内部模块图来描述各结构及约束间的关系，最后将得到的结构分配到活动图中，建立白盒的功能描述。

本发明的有益效果是克服了现有多学科复杂产品设计领域缺乏产品概念设计的分析建模方法，本发明为设计人员在复杂产品概念设计阶段提供了较为完整的分析方法和整体建模流程，使设计者在面对设计问题时拥有一个完整的解决问题方法和手段，从而提高了了设计效率，减少不良设计带来的损耗。

附图说明

图1是本发明多学科复杂产品概念设计分析的流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1来说明，本实施方式是一种多学科复杂产品的概念设计分析方法，包括以下步骤

基于量化矩阵进行需求分析的步骤：由用户需求驱动，将用户需求映射到系统需求，然后将系统需求关系进行量化，建立关系矩阵，进行分析；

基于功能知识库进行功能分解的步骤：基于功能知识库的功能分解法，根据复杂产品多学科多领域的特点，首先要对系统功能进行模块划分，然后根据功能知识库进行匹配分解；

基于接口匹配进行功能结构映射的步骤：通过分析和检索将功能映射到结构，得到系统结构，对分析步骤和检索项进行细化，然后对映射结果进行独立性分析；

基于设计结构矩阵进行结构重组的步骤：基于设计结构矩阵对产品结构进行聚类操作，降低结构间的耦合度；

设计结果SysML模型描述步骤：将各流程的产出物结合SysML建模方法，进行描述。

具体实施方式二：本实施方式是对实施方式一的进一步限定，其中基于量化矩阵的需求分析过程包含以下步骤：

根据产品属性，由技术人员建立本类产品的标准化需求描述库；

建立用户需求向系统需求的映射矩阵，应用质量功能展开的思想，将用户需求映射到系统需求中；同时扩展对需求关系的描述，对系统需求关系进行分析，对跟踪，继承，改善，满足这四种关系进行量化从而确定系统需求；

将得到的系统需求进行属性分析，分为功能性需求和非功能性需求，进行系统功能及产品约束；所述的功能性需求是描述系统功能的需求类型，所述的非功能性需求是其他类型的需求。

具体实施方式三：本实施方式是对实施方式二的进一步限定，其中基于功能知识库的功能分解过程包含以下步骤：

将系统总功能按学科领域特点分解为各分系统的总功能，通过各分系统输入输出流变化来定义分系统总功能；

不同领域设计人员依照以下原则对各自分系统块进行功能分解：首先根据流的值类型变化进行分解，将值类型的变化定义为第一层功能分解的结果；然后将上一层分解得到的子功能，根据值变化，值空间变化，导数变化再次进行功能分解，形成下一层次的功能；

建立功能效应知识库，定义不需要再次分解的原子功能，以及该功能依据的物理和化学效应，和该效应导致的输入输出流变化类型；将上一步分析的结果通过匹配可以支持该变化的效应，进而分解到原子功能；而对于不能通过效应匹配到合适的原子功能的子功能，通过穷举法，根据输入输出流的变化类型对全部原子功能进行检索匹配，如不能找到，则根据专家意见，重新定义原子功能，并加入知识库中；从而得到完整的层次化的功能模型。

具体实施方式四：本实施方式是对实施方式三的进一步限定，其中基于接口匹配的功能结构映射过程包含以下步骤：

建立本领域内功能-结构知识库，知识库中包含以下内容：功能-结构的直接映射关系，包含上一步定义的原子功能与支持该功能结构；功能-行为-结构映射，将较为复杂的原子功能，通过行为层的方式，进行细化，进而映射到结构中；

上一步分解得到的子功能，映射到原知识库中的原子功能的，按照功能-结构知识库的内容，映射到结构上，而对于无法映射的，需要分析该支持该功能的行为，进而映射到具体结构上；

完成功能-结构映射后，对映射结果进行评价，将功能-结构映射矩阵对功能结构间的关系进行分析，通过行列式的变换来判断该矩阵是独立矩阵、解耦矩阵还是耦合矩阵，若为耦合矩阵，对结构进行再一次映射。

具体实施方式五：本实施方式是对实施方式四的进一步限定，其中基于设计结构矩阵的结构重组过程包含以下步骤：

按照上一步形成的功能层次化结构进行反向重组，既将同一功能模块下的结构重组为一个结构模块，由底向上建立完整的结构模块。

具体实施方式六：本实施方式是对实施方式四的进一步限定，，其中基于设计结构矩阵的结构重组步骤为：根据设计结构矩阵对得到的全部原子结构进行聚类操作，将聚为一类的原子结构组成一个模块，得到系统结构后，将顶层的约束，向下分解，直到底层的设计约束，完成整个分析过程。

具体实施方式七：本实施方式是对实施方式五或六的进一步限定，其中设计结果SysML模型描述步骤为：

将得到的系统需求及需求关系，通过需求图的方式进行表达，并建立用例图，通过黑盒分析来定义涉众，明确系统边界；

将得到功能模型通过活动图的形式进行表达，确定不同功能间的逻辑关系(如串行，并行，输入输出)，同时，以模块定义图的方式，表达活动间的层次关系；

将结构重组完成后，用包图来描述各结构模块间的层次关系，使用模块定义图及内部模块图来描述各结构及约束间的关系，最后将得到的结构分配到活动图中，建立白盒的功能描述。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本发明的保护范围并不局限于此，对于本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明不加创造性地进行改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种多学科复杂产品的概念设计分析方法，其特征在于，包含以下步骤：

基于量化矩阵进行需求分析的步骤：由用户需求驱动，将用户需求映射到系统需求，然后将系统需求关系进行量化，建立关系矩阵，进行分析；

基于功能知识库进行功能分解的步骤：基于功能知识库的功能分解法，根据复杂产品多学科多领域的特点，首先要对系统功能进行模块划分，然后根据功能知识库进行匹配分解；

基于接口匹配进行功能结构映射的步骤：通过分析和检索将功能映射到结构，得到系统结构，对分析步骤和检索项进行细化，然后对映射结果进行独立性分析；

基于设计结构矩阵进行结构重组的步骤：基于设计结构矩阵对产品结构进行聚类操作，降低结构间的耦合度；

设计结果SysML模型描述步骤：将各流程的产出物结合SysML建模方法，进行描述。

2.根据权利要求1所述的一种多学科复杂产品的概念设计分析方法，其特征在于，所述的基于量化矩阵的需求分析步骤为：

根据产品属性，由技术人员建立本类产品的标准化需求描述库；

建立用户需求向系统需求的映射矩阵，应用质量功能展开的思想，将用户需求映射到系统需求中；同时扩展对需求关系的描述，对系统需求关系进行分析，对跟踪，继承，改善，满足这四种关系进行量化从而确定系统需求；

将得到的系统需求进行属性分析，分为功能性需求和非功能性需求，进行系统功能及产品约束；所述的功能性需求是描述系统功能的需求类型，所述的非功能性需求是其他类型的需求。

3.根据权利要求2所述的一种多学科复杂产品的概念设计分析方法，其特征在于，所述的基于功能知识库的功能分解步骤为：

将系统总功能按学科领域特点分解为各分系统的总功能，通过各分系统输入输出流变化来定义分系统总功能；

不同领域设计人员依照以下原则对各自分系统块进行功能分解：首先根据流的值类型变化进行分解，将值类型的变化定义为第一层功能分解的结果；然后将上一层分解得到的子功能，根据值变化，值空间变化，导数变化再次进行功能分解，形成下一层次的功能；

建立功能效应知识库，定义不需要再次分解的原子功能，以及该功能依据的物理和化学效应，和该效应导致的输入输出流变化类型；将上一步分析的结果通过匹配可以支持该变化的效应，进而分解到原子功能；而对于不能通过效应匹配到合适的原子功能的子功能，通过穷举法，根据输入输出流的变化类型对全部原子功能进行检索匹配，如不能找到，则根据专家意见，重新定义原子功能，并加入知识库中；从而得到完整的层次化的功能模型。

4.根据权利要求3所述的一种多学科复杂产品的概念设计分析方法，其特征在于，所述的基于接口匹配的功能结构映射步骤为：

建立本领域内功能-结构知识库，知识库中包含以下内容：功能-结构的直接映射关系，包含上一步定义的原子功能与支持该功能结构；功能-行为-结构映射，将较为复杂的原子功能，通过行为层的方式，进行细化，进而映射到结构中；

上一步分解得到的子功能，映射到原知识库中的原子功能的，按照功能-结构知识库的内容，映射到结构上，而对于无法映射的，需要分析该支持该功能的行为，进而映射到具体结构上；

完成功能-结构映射后，对映射结果进行评价，将功能-结构映射矩阵对功能结构间的关系进行分析，通过行列式的变换来判断该矩阵是独立矩阵、解耦矩阵还是耦合矩阵，若为耦合矩阵，对结构进行再一次映射。

5.根据权利要求4所述的一种多学科复杂产品的概念设计分析方法，其特征在于，所述的基于设计结构矩阵的结构重组步骤为：按照上一步形成的功能层次化结构进行反向重组，既将同一功能模块下的结构重组为一个结构模块，由底向上建立完整的结构模块。

6.根据权利要求4所述的一种多学科复杂产品的概念设计分析方法，其特征在于，所述的基于设计结构矩阵的结构重组步骤为：根据设计结构矩阵对得到的全部原子结构进行聚类操作，将聚为一类的原子结构组成一个模块，得到系统结构后，将顶层的约束，向下分解，直到底层的设计约束，完成整个分析过程。

7.根据权利要求5或6所述的一种多学科复杂产品的概念设计分析方法，其特征在于，所述的设计结果SysML模型描述步骤为：

将得到的系统需求及需求关系，通过需求图的方式进行表达，并建立用例图，通过黑盒分析来定义涉众，明确系统边界；

将得到功能模型通过活动图的形式进行表达，确定不同功能间的串行、并行、输入输出逻辑关系，同时，以模块定义图的方式，表达活动间的层次关系；

将结构重组完成后，用包图来描述各结构模块间的层次关系，使用模块定义图及内部模块图来描述各结构及约束间的关系，最后将得到的结构分配到活动图中，建立白盒的功能描述。