[發明專利]一種層次化系統集成設計建模方法

在審

• 申請號: 201711081518.2
• 申請日: 2017-11-07
• 公開（公告）號: CN107944095A
• 公開（公告）日: 2018-04-20
• 發明（設計）人: 劉繼紅;王樹德
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京東方盛凡知識產權代理事務所(普通合伙)11562
• 代理人: 宋平

技術領域

本發明屬于計算機輔助系統設計領域的研究內容，更具體地說，本發明涉及一種層次化系統集成設計建模方法。

背景技術

復雜產品研發的系統化方法研究是將產品設計和系統工程相結合的產物，其發展已經由來已久，通常以設計過程進行一般描述作為起點，進而探究該過程中完成每項任務所要求的具體步驟形成詳細的過程方法。典型的系統研發過程包括四個階段：闡明任務，說明并定義設計任務；概念設計，定義產品系統的整體功能和子功能，形成功能結構；初步設計和詳細設計，從而生成設計方案。

雖然在不同的工程領域中，出現了很多與上述概念設計過程中任務有所差異的過程模型，比如機電系統工程中采用了自上而下的設計過程和自底向上的集成驗證過程相結合的“V”模型。這是由于涉及多學科問題，比一般產品的設計過程要復雜，為降低研發失敗的風險，復雜機電產品概念設計的重要性不言而喻。

現有的概念設計描述模型存在表達多樣性，目標單一性的特點，缺乏統一的描述模型能將設計中不同方面的特征信息(需求、功能、行為和結構等)結合在一起，形成集成的產品概念視角，并通過該系統模型的不斷迭代、演化生成可行的概念設計方案，對可選方案進行評估決策后選出最優方案解，作為后續詳細設計階段中的信息來源。

發明內容

本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種層次化系統集成設計建模方法，為工程領域系統概念設計過程提供有效的方法。

本發明的一種層次化系統集成設計建模方法，包括以下步驟：

概念設計模型庫預定義的步驟：根據不同學科產品系統的設計任務構建導入所使用的需求模型庫、功能模型庫、行為模型庫和結構模型庫，采用SysML圖形化對模型庫進行統一表達；

需求分類建模的步驟：從系統的整體角度出發對系統需求進行圖形化建模；

基于用例的功能需求分析的步驟：從用戶角度出發，通過用例分析識別產品的主要功能，定義系統邊界；

系統功能建模的步驟：設計人員針對特定情況分析確認輸入、輸出流的類型及數量，進行整體功能識別與定義和基于流端口匹配的功能分解兩個基本過程，輸出僅包含原子功能的系統功能模型；

多種路徑的功能-行為-結構映射的步驟：對得到的功能結構推理出可實現原子功能的物理結構，并建立結構端口之間的聯系，形成完整的系統概念設計方案。

作為本發明一種層次化系統集成設計建模方法的第一種優選，其中根據不同學科產品系統的設計任務構建導入所使用的需求模型庫的步驟為：

將采用自然語言描述的文檔式需求進行模型化，在支持SysML語言的建模工具中直接構建需求模型庫，將需求模型庫按照功能需求、操作需求、性能需求、接口需求以包的形式分類存儲在單獨的特定格式的文件中，每個的需求元素通過兩個基本屬性“Id”和“Text”來表示。

作為本發明一種層次化系統集成設計建模方法的第二種優選，其中根據不同學科產品系統的設計任務構建導入所使用的功能模型庫的步驟為：

將基本的原子功能分解為一個四元組，包括功能ID，輸入流f_in，功能元p，輸出流f_out，采用“功能元+流對象”的功能表達方式，將功能元細分為三層結構表達，將流分為物料、能量和信號三大類。

作為本發明一種層次化系統集成設計建模方法的第三種優選，其中根據不同學科產品系統的設計任務構建導入所使用的行為模型庫的步驟為：

將行為層分為預期行為和實際行為兩個方面，采用“物理規律+輸入輸出”的組合形式對預期行為進行表示，將物理規律與結構模型的約束屬性進行對應，將輸入輸出流與功能的輸入輸出對應，通過方程對結構參數變量及變量之間的關系進行表示；

所述預期行為是從抽象層面上實現系統功能的原理性問題，將流對象的類型和屬性變化視為其物理狀態的改變，且該變化遵循一定的物理規律，所述的實際行為是結構模塊的物理行為。

作為本發明一種層次化系統集成設計建模方法的第四種優選，其中根據不同學科產品系統的設計任務構建導入所使用的結構模型庫步驟為：

對系統功能和行為模型進行映射，輸出系統結構設計方案，然后通過初步評估驗證方案的合理性。

作為本發明一種層次化系統集成設計建模方法的第五種優選，其中基于流端口匹配的功能分解的步驟為：

對功能元進行判斷，根據功能元的輸入輸出流對比結果，如果流的類型、屬性中多于一項發生變化，就按照之前規范化定義的功能元及流對象的分層表示方法，將系統整體功能分解細化為三個抽象層次的功能模型。