趙 萌, 陳 泳, 湯 超, 李浩敏, 謝友柏
(1. 上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院, 上海 200240; 2. 上海交通大學(xué) 航空航天學(xué)院,上海 200240; 3. 中國商飛上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院, 上海 201210)
在復(fù)雜系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)過程中,工程師通常需要對(duì)功能設(shè)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行描述,以向后續(xù)的設(shè)計(jì)階段準(zhǔn)確傳遞技術(shù)要求[1].因此,為提升功能描述的準(zhǔn)確性和完備性,結(jié)構(gòu)化的功能建模方法正逐步被學(xué)術(shù)界和工業(yè)界關(guān)注,也產(chǎn)生了一些有價(jià)值的研究成果:如Umeda等[2]提出的Function-Behavior-State(FBS)模型;Goel等[3]提出的Structure-Behavior-Function(SBF)模型;郭鋼等[4]提出的基于本體的功能建模方法;胡潔等[5]提出的面向創(chuàng)新設(shè)計(jì)的功能-行為-結(jié)構(gòu)模型;以及一些研究者提出的基于SysML的系統(tǒng)功能建模方法[6-7]等.
然而,現(xiàn)有的功能建模方法一般僅考慮系統(tǒng)的輸入-輸出流,如文獻(xiàn)[2-7],而對(duì)與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)切換相關(guān)的功能還缺乏考慮,因而難以建立清晰和完整的系統(tǒng)功能模型.例如,“飛機(jī)收放起落架”是飛機(jī)的一個(gè)重要功能,但現(xiàn)有方法難以支持系統(tǒng)工程師對(duì)這一功能進(jìn)行建模,其原因在于起落架是飛機(jī)的組成對(duì)象,而不是飛機(jī)的輸入或輸出流.復(fù)雜系統(tǒng)的功能表達(dá)不僅需考慮輸入-輸出流轉(zhuǎn)化,還需考慮系統(tǒng)自身的結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化.
綜上,本文提出一種集成狀態(tài)的廣義功能建模方法,以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)功能的清晰和完整的表達(dá).由于系統(tǒng)的基本組成單元是組件,所以將首先建立組件的廣義功能模型,在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步提出系統(tǒng)的廣義功能模型,并以某型離心機(jī)為例進(jìn)行驗(yàn)證.
在復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中,組件常被認(rèn)為是系統(tǒng)的基本組成單元,因而組件功能(Function)建模是系統(tǒng)功能建模的基礎(chǔ).為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的廣義功能建模,引入狀態(tài)(State)和行為(Behavior)的概念來建立組件的廣義功能模型,即組件的SBF模型.
組件狀態(tài)是對(duì)組件結(jié)構(gòu)的抽象概括,因而也稱為結(jié)構(gòu)狀態(tài).由于一個(gè)組件在物理上可以分解為多個(gè)零件,如軸、鍵和齒輪,所以本研究所提出的組件狀態(tài)實(shí)際為關(guān)于組件內(nèi)各零件及其物理連接關(guān)系的描述.例如,吹風(fēng)機(jī)的開關(guān)組件一般具有冷風(fēng)、熱風(fēng)與關(guān)閉3個(gè)檔位,它們分別對(duì)應(yīng)著開關(guān)內(nèi)部零件之間的3種物理連接關(guān)系,即1位連接、2位連接和斷開,意味著該開關(guān)組件具有3個(gè)狀態(tài).
組件狀態(tài)可以采用“屬性-值”方法來表達(dá),即
state(Com)=“value”
其中:Com為組件的名稱;state為組件的狀態(tài)屬性;value為組件狀態(tài)屬性的值.
以上述的開關(guān)組件為例,如果開關(guān)處于關(guān)閉檔,則state (Switch)=“off”;如果開關(guān)處于冷風(fēng)檔,則 state (Switch)=“on_1”;如果開關(guān)處于熱風(fēng)檔,則state (Switch)=“on_2”.上述屬性-值表達(dá)可以反映一個(gè)組件的不同狀態(tài),從而作為組件廣義功能建模的基礎(chǔ).
由于組件具有多個(gè)狀態(tài),所以需要對(duì)組件的狀態(tài)切換進(jìn)行表述.因此,本研究采用行為的概念來表述組件的狀態(tài)改變[8].如圖1所示,當(dāng)電磁閥處于“off”狀態(tài)時(shí),若左側(cè)線圈收到電信號(hào),則閥門內(nèi)左側(cè)的油路將接通,意味著該閥門將實(shí)現(xiàn)一個(gè)行為,從而使自身的狀態(tài)變?yōu)椤發(fā)eft_open”.根據(jù)上述定義,組件的行為雖然不涉及外部環(huán)境對(duì)象(輸入流),但反映了組件自身結(jié)構(gòu)狀態(tài)的改變,因而應(yīng)被視為一種廣義的功能.
圖1 電磁閥示意圖
組件行為的表達(dá)可以利用四元組,即
〈trigger, portC, stateI, stateF〉
其中:trigger為觸發(fā)組件行為的控制信號(hào);portC為組件的控制端口;stateI與stateF分別為組件的初始與最終狀態(tài).
采用該四元組,電磁閥的上述行為可表示為
〈f_elec, pC_L, “off”, “l(fā)eft_open”〉
其中:f_elec為電磁閥所接收到的電流;pC_L為左側(cè)線圈所對(duì)應(yīng)的控制端口.
組件功能為組件對(duì)輸入流所施加的作用,從而產(chǎn)生所需的輸出流.現(xiàn)有的功能建模研究一般僅考慮輸入-輸出流轉(zhuǎn)化類功能,因而本文所提出的組件功能實(shí)際為狹義的功能.現(xiàn)有的功能建模方法一般使用“輸入-輸出流”二元組表達(dá)[1].然而,該方法僅能描述組件的單一功能,難以清晰地表達(dá)一個(gè)組件在各狀態(tài)下所實(shí)現(xiàn)的不同功能.例如,當(dāng)電磁閥處于“right_open”狀態(tài)時(shí),從進(jìn)口輸入的液壓油將從右出口輸出,而非“l(fā)eft_open”狀態(tài)下的左出口,意味著傳統(tǒng)的“輸入-輸出流”表達(dá)無法對(duì)電磁閥的不同功能進(jìn)行區(qū)分.
綜上,本研究采用五元組來表達(dá)組件的狀態(tài)依賴功能,即
〈state, (flow_in, port_in), (flow_out, port_out)〉
其中:flow_in與flow_out分別為組件的輸入與輸出流;port_in與port_out分別為組件的輸入與輸出端口.
當(dāng)電磁閥的狀態(tài)為“l(fā)eft_open”時(shí),組件功能可表示為
〈“l(fā)eft_open”, (f_liquid, p_A), (f_liquid, p_L)〉
其中:f_liquid為壓力油的輸入或輸出流;p_A為進(jìn)口;p_L為左出口.
采用上述方法,可以在組件的狀態(tài)與功能之間建立明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系,從而清晰地表達(dá)組件在各狀態(tài)下所實(shí)現(xiàn)的不同功能.
技術(shù)系統(tǒng)是指一組相互作用的組件所組成的整體,該整體將實(shí)現(xiàn)一定的目的[9].復(fù)雜技術(shù)系統(tǒng)在其工作過程中往往會(huì)改變自身的結(jié)構(gòu)狀態(tài),以先后實(shí)現(xiàn)不同的功能(輸入-輸出流轉(zhuǎn)化).現(xiàn)有的功能建模方法常忽視上述結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化,從而造成功能模型的邏輯混亂.例如,Sturges等[10]提出的功能建模方法難以區(qū)分電動(dòng)工具在不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)下所實(shí)現(xiàn)的功能.為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的廣義功能建模,引入系統(tǒng)狀態(tài)和系統(tǒng)行為的概念,并以此為基礎(chǔ)建立系統(tǒng)的廣義功能模型,即系統(tǒng)的SBF模型.
系統(tǒng)狀態(tài)是對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的抽象概括,其中,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是指系統(tǒng)所包含的對(duì)象(組件或子系統(tǒng)),以及這些對(duì)象間的功能連接關(guān)系.功能連接意味著一個(gè)對(duì)象的輸出流可以成為另一個(gè)對(duì)象的輸入流,因而本研究所提出的系統(tǒng)狀態(tài)概念不同于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)控制中與時(shí)變參數(shù)相關(guān)的狀態(tài)[11].為簡便,以下假設(shè)系統(tǒng)所包含的對(duì)象均為組件.
雖然系統(tǒng)狀態(tài)的表達(dá)可以采用“屬性-值”方法,但這會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部組件間功能連接關(guān)系的描述不清晰.因此,本文使用三元組表達(dá)系統(tǒng)狀態(tài):
〈state(Sys),S,R〉
其中:state(Sys)為系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài);S為系統(tǒng)內(nèi)各組件的狀態(tài)的集合,即S={state(Comi)};R為系統(tǒng)內(nèi)各組件間功能連接關(guān)系的集合,即R={〈Comi, port_outik, Comj, port_injt〉},該集合中的四元組意味著Comi的第k個(gè)輸出端口(port_outik)與Comj的第t個(gè)輸入端口(port_injt)相連.例如,在電吹風(fēng)系統(tǒng)內(nèi),風(fēng)扇(F)與加熱器(H)之間的功能連接關(guān)系可表示為
〈F, p_out,H, p_in1〉
其中:p_out為風(fēng)扇的空氣輸出端口;p_in1為加熱器的空氣輸入端口.
與物理連接的描述相比,功能連接的描述獨(dú)立于特定的技術(shù)領(lǐng)域.如圖2(a)所示,吹風(fēng)機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的組件物理連接一般采用電路圖來描述;如圖2(b)所示,組件間的功能連接既可以表達(dá)電路連接,如開關(guān)和電動(dòng)機(jī)相連,還可以表達(dá)機(jī)械連接,如電動(dòng)機(jī)與風(fēng)扇相連.
圖2 吹風(fēng)機(jī)中各組件之間的物理連接與功能連接
與組件行為的概念一致,系統(tǒng)行為是指系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換,而這種轉(zhuǎn)換也通常是由系統(tǒng)所收到的控制信號(hào)引起的.接收到控制信號(hào)后,系統(tǒng)會(huì)將控制信號(hào)傳遞到內(nèi)部一(多)個(gè)組件的控制端口上,從而觸發(fā)這(些)個(gè)組件的行為(見圖3).隨著組件狀態(tài)的改變,組件之間的功能連接關(guān)系也可能發(fā)生改變,從而使系統(tǒng)的狀態(tài)發(fā)生改變.
圖3 系統(tǒng)行為
與組件行為不同,系統(tǒng)的一個(gè)行為可能需由多個(gè)控制信號(hào)觸發(fā).例如,離心機(jī)需收到所有相關(guān)的控制信號(hào),包括卸料閥關(guān)閉信號(hào)和洗滌閥打開信號(hào)等,才能將自身的結(jié)構(gòu)狀態(tài)由“separating(分離)”變?yōu)椤皐ashing(洗滌)”.因此,系統(tǒng)行為可以表示為四元組,即
〈{trigger}, portC, stateI, stateF〉
其中:{trigger}為觸發(fā)系統(tǒng)行為的信號(hào)集;portC為系統(tǒng)的控制端口;stateI與stateF分別為系統(tǒng)的初始與最終狀態(tài).
與組件功能的概念一致,系統(tǒng)功能是指系統(tǒng)對(duì)輸入流的作用,以產(chǎn)生所需的輸出流,因而這里所說的功能實(shí)際上是系統(tǒng)的狹義功能.當(dāng)系統(tǒng)接收到輸入流時(shí),該輸入流將被分配到系統(tǒng)內(nèi)的某個(gè)(些)組件上.這個(gè)(些)組件將輸入流轉(zhuǎn)化為輸出流,并傳遞到其他組件.經(jīng)過一系列的轉(zhuǎn)化和傳遞,最終組件所產(chǎn)生的輸出流,即為系統(tǒng)的輸出流.例如,當(dāng)電吹風(fēng)系統(tǒng)具有電能和空氣的輸入流時(shí),系統(tǒng)內(nèi)的組件對(duì)上述輸入流進(jìn)行一系列的轉(zhuǎn)化與傳遞后,可以產(chǎn)生“熱風(fēng)”的輸出流(見圖4).
圖4 吹風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的功能
系統(tǒng)從外部環(huán)境所得輸入將成為內(nèi)部一(多)個(gè)組件的輸入,而其輸出實(shí)際是一(多)個(gè)組件的輸出.因此,系統(tǒng)功能可表示為五元組,即〈state(Sys), {flow_in1, …, flow_ink}, {port_in1, …, port_ink}, {flow_out1, …, flow_outk}, {port_out1, …, port_outk}〉.其中:flow_ink與port_ink分別為系統(tǒng)的一個(gè)輸入流及其輸入端口;flow_outk與port_outk分別為系統(tǒng)的一個(gè)出入流及其輸出端口.如圖4所示,吹風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的功能可表示為〈“on_2”, {f_Air, f_Elec}, {p_in1, p_in2}, {f_hw}, {p_out}〉.
為驗(yàn)證上述廣義功能建模方法,本研究對(duì)某系統(tǒng)建模軟件進(jìn)行了二次開發(fā),實(shí)現(xiàn)了集成狀態(tài)的廣義功能建模原型軟件.該原型軟件主要包括以下功能模塊:① 組件管理模塊,用于建立和維護(hù)組件廣義功能模型,包括組件的狀態(tài)、行為以及功能;② 系統(tǒng)管理模塊,用于建立和維護(hù)系統(tǒng)廣義功能模型,包括系統(tǒng)的狀態(tài)、行為以及功能.
以某型號(hào)離心機(jī)的一個(gè)概念設(shè)計(jì)方案為例,介紹組件廣義功能建模與系統(tǒng)廣義功能建模方法的應(yīng)用.該離心機(jī)主要用于對(duì)化工和生物等行業(yè)的懸浮液進(jìn)行分離,以提取其中的固相顆粒.基于本研究建立的原型軟件,對(duì)該離心機(jī)的主要結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行建模,結(jié)果如圖5所示.
圖5 離心機(jī)結(jié)構(gòu)的建模
在上述離心機(jī)的概念方案中,電磁閥對(duì)離心機(jī)的狀態(tài)切換起著關(guān)鍵作用.因此,以輸入控制電磁閥為例,介紹組件廣義功能建模方法的應(yīng)用.
為控制離心機(jī)系統(tǒng)的輸入,該電磁閥應(yīng)有以下3種狀態(tài):在進(jìn)料過程中,為使懸浮液的輸入管路打開,需使電磁閥一側(cè)的油路接通;當(dāng)進(jìn)料量達(dá)到預(yù)設(shè)值后,為使懸浮液的輸入管路關(guān)閉,均不接通電磁閥內(nèi)兩側(cè)的油路;在隨后的洗滌過程中,為使洗滌液的輸入管路打開,應(yīng)使另一側(cè)的電磁閥油路接通.基于本研究提出的組件狀態(tài)模型,該電磁閥的上述3種狀態(tài)可分別被表示為
state(ISV) = {“l(fā)iqOpen”, “dtgOpen”, “closed”}
其中:ISV為輸入控制電磁閥;“l(fā)iqOpen”為電磁閥的“進(jìn)料打開”狀態(tài);“dtgOpen”為“洗滌打開”狀態(tài);“closed”為“關(guān)閉”狀態(tài).
在離心機(jī)的工作過程中,電磁閥應(yīng)能實(shí)現(xiàn)一(多)個(gè)組件行為,以實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的切換.例如,為打開懸浮液的輸入管路,電磁閥應(yīng)能從“關(guān)閉”狀態(tài)變?yōu)椤斑M(jìn)料打開”狀態(tài).基于本研究提出的組件行為模型,該電磁閥的上述功能可表示為
〈f_LiqOpen, p_inletControl, “closed”, “l(fā)iqOpen”〉
其中:f_LiqOpen與p_inletControl分別為觸發(fā)行為控制信號(hào)與接收控制信號(hào)的控制端口;“closed”與“l(fā)iqOpen”分別為電磁閥的初始與最終狀態(tài).
若具有必需的輸入流,則電磁閥可以產(chǎn)生輸出流,即實(shí)現(xiàn)功能.例如,電磁閥可以將液壓流輸出到懸浮液輸入管路,以打開該管路的液壓閥.基于本研究提出的組件功能模型,該電磁閥的上述功能可表示為
〈“l(fā)iqOpen”, (f_Hydr, p_in), (f_Hydr, p_out_liq)〉
其中:“feedingOpen”為電磁閥實(shí)現(xiàn)該功能時(shí)所處的狀態(tài);(f_Hydr, p_in)表示液壓流f_Hydr從端口p_in 輸入;(f_Hydr, p_out_liq)為液壓流從p_out_liq輸出.
基于本研究所開發(fā)的原型軟件,對(duì)上述電磁閥的組件狀態(tài)、行為以及功能進(jìn)行建模,部分結(jié)果如圖6所示,左側(cè)的目錄樹分別展示了該電磁閥的屬性、端口、狀態(tài)、行為和功能.由此可見,本研究所建立的組件廣義功能建模方法能清晰地表明組件的狀態(tài)、行為以及功能.
圖6 輸入控制電磁閥的組件廣義功能模型
以離心機(jī)內(nèi)各組件的廣義功能模型為基礎(chǔ),進(jìn)而可以建立離心機(jī)系統(tǒng)的廣義功能模型.
首先,建立離心機(jī)系統(tǒng)的狀態(tài)模型,包括系統(tǒng)內(nèi)各組件的狀態(tài),以及這些組件之間的功能連接關(guān)系.例如,當(dāng)離心機(jī)對(duì)懸浮液進(jìn)行分離時(shí),濾液收集管路應(yīng)打開,因而控制離心機(jī)輸出的電磁閥應(yīng)處于“濾液打開”狀態(tài),并將液壓流輸出至該管路的液壓閥.基于本研究所建立的系統(tǒng)狀態(tài)表達(dá),離心機(jī)系統(tǒng)的上述狀態(tài)可被表示為
〈“separating”, {state(OSV)=
“l(fā)iqOpen”, …}, {〈OSV, p_out_Liq, OHV, p_C〉,…}〉
其中:OSV與OHV為輸出控制電磁閥與濾液輸出液壓閥;“separating”為離心機(jī)系統(tǒng)狀態(tài)的名稱;state(OSV)= “l(fā)iqOpen”為與該系統(tǒng)狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的電磁閥組件狀態(tài)(即“濾液打開”);〈OSV, p_out_Liq, OHV, p_C〉為兩個(gè)閥門之間的功能連接關(guān)系.可知,本研究所引入的系統(tǒng)狀態(tài)可以清晰地反映系統(tǒng)內(nèi)部與狀態(tài)相關(guān)的功能連接關(guān)系.
在此基礎(chǔ)上,對(duì)離心機(jī)系統(tǒng)的行為進(jìn)行建模.為實(shí)現(xiàn)功能的切換,離心機(jī)系統(tǒng)應(yīng)能轉(zhuǎn)變自身的狀態(tài)(系統(tǒng)行為).例如,收到控制信號(hào)時(shí),離心機(jī)應(yīng)從“分離”狀態(tài)變?yōu)椤跋礈臁睜顟B(tài).基于本研究所提出的系統(tǒng)行為模型,離心機(jī)的上述行為可表示為
〈f_DtgOpen, p_Control, “separating”, “washing”〉
其中:f_DtgOpen為觸發(fā)離心機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)變的控制信號(hào);p_Control為接收上述控制信號(hào)的控制端口;“separating”與“washing”分別為離心機(jī)的初始狀態(tài)與最終狀態(tài).可知,本研究中的系統(tǒng)行為可以清晰地表示系統(tǒng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變.
最后,對(duì)離心機(jī)系統(tǒng)的功能進(jìn)行建模.以離心機(jī)的“分離”狀態(tài)為例,系統(tǒng)接收電能的輸入,而產(chǎn)生濾液的物質(zhì)輸出,該功能可表示為
〈“separating”, {f_Elec}, {p_in_Elec},
{f_Liq}, {p_out_Liq}〉
基于本研究建立的原型軟件,對(duì)離心機(jī)系統(tǒng)處于“分離”狀態(tài)時(shí)的功能進(jìn)行建模,結(jié)果如圖7所示,黑色粗實(shí)線表示組件之間在某狀態(tài)下存在功能連接.為清晰起見,圖7只展示離心機(jī)的電磁閥和液壓閥等組件.
當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)變?yōu)椤跋礈臁睍r(shí),離心機(jī)系統(tǒng)輸入電能以及洗滌液,輸出濾液與洗滌液的混合物.因此,此時(shí)的系統(tǒng)功能可被表示為
〈“washing”, {f_Elec, f_Dtg}, {p_in_Elec,p_in_Dtg}, {f_Liq, f_Dtg}, {p_out_Dtg}}〉
基于本研究開發(fā)的原型軟件,對(duì)離心機(jī)系統(tǒng)處于“洗滌”狀態(tài)時(shí)的功能進(jìn)行建模(見圖8).對(duì)比圖7和圖8可得,當(dāng)離心機(jī)系統(tǒng)的狀態(tài)由“分離”變?yōu)椤跋礈臁睍r(shí),所實(shí)現(xiàn)的功能過程也發(fā)生了改變.因此,本研究所提出的系統(tǒng)廣義功能建模方法能幫助工程師描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)與功能之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系, 從而清晰地表達(dá)系統(tǒng)的廣義功能.
圖7 處于“分離”狀態(tài)的離心機(jī)系統(tǒng)廣義功能模型
圖8 處于“洗滌”狀態(tài)的系統(tǒng)廣義功能模型
選取具有代表性的3種功能建模方法[2-3,12]與本文方法進(jìn)行對(duì)比,以闡明廣義功能模型的優(yōu)點(diǎn).
與Umeda等[2]提出的FBS模型相比,本文SBF模型主要存在兩方面的區(qū)別.一方面,Umeda等文中的系統(tǒng)狀態(tài)是指系統(tǒng)的一組物理參數(shù)(屬性),以及系統(tǒng)與外部環(huán)境對(duì)象之間的關(guān)系,而本文則是指系統(tǒng)內(nèi)部的對(duì)象(組件或子系統(tǒng))組成,以及它們之間的連接關(guān)系.以上述離心機(jī)系統(tǒng)為例,Umeda等主要是用外部輸入的電能和固液混合物等來表述系統(tǒng)狀態(tài);而本文則主要是指系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組件(如電磁閥和液壓閥)及其之間的連接關(guān)系.另一方面,Umeda等文中的系統(tǒng)行為是指系統(tǒng)對(duì)于外部環(huán)境對(duì)象作用所導(dǎo)致的環(huán)境對(duì)象的改變,而本文則主要是指系統(tǒng)內(nèi)部組件連接關(guān)系的變化(系統(tǒng)內(nèi)與電磁閥相連的液壓閥門,由卸料液壓閥變?yōu)檫M(jìn)料液壓閥).綜上,與本文SBF模型相比,Umeda等文中的FBS模型未考慮系統(tǒng)狀態(tài)切換所引起的功能變化,難以完整地表達(dá)與系統(tǒng)狀態(tài)相關(guān)的廣義功能.
與Goel等[3]提出的SBF模型相比,本文SBF模型主要存在如下區(qū)別.一方面,在Goel等提出的模型中,S代表Structure,包含結(jié)構(gòu)組成,而不包含結(jié)構(gòu)狀態(tài).另一方面,Goel等文中的系統(tǒng)行為主要是指系統(tǒng)對(duì)輸入/輸出流的作用所導(dǎo)致的流屬性的改變,而本研究中的系統(tǒng)行為是指系統(tǒng)內(nèi)部組件連接關(guān)系的變化.以上述離心機(jī)系統(tǒng)為例,Goel等文中的系統(tǒng)行為是指離心機(jī)對(duì)輸入流(如電能和固液混合物)的屬性改變;而本研究中系統(tǒng)行為是指離心機(jī)自身結(jié)構(gòu)狀態(tài)的改變.綜上,與本文所建立的方法相比,Goel等所提出的功能建模方法未考慮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的變化,因而難以完整地表達(dá)與狀態(tài)切換相關(guān)的廣義功能.
與Gero等[12]提出的FBS模型相比,本文所建立的SBF模型在概念基礎(chǔ)方面存在著以下差別:① Gero 等研究的功能是指系統(tǒng)的目的,比較模糊和主觀,難以使用結(jié)構(gòu)化方法表達(dá)[13];本文則是指系統(tǒng)對(duì)于外部環(huán)境對(duì)象的客觀作用的抽象,使用輸入-輸出流表達(dá).② Gero等文中的行為是指系統(tǒng)對(duì)于外部對(duì)象的作用,因而更接近于本研究中的功能[13].③ Gero等文中的結(jié)構(gòu)主要包括結(jié)構(gòu)組成以及它們的幾何信息,而不關(guān)注組件之間的功能連接關(guān)系.
綜上,與本文所建立的SBF模型相比,Gero等文中的FBS模型不僅缺少對(duì)于系統(tǒng)自身行為的表達(dá),而且難以清晰地表達(dá)系統(tǒng)在不同狀態(tài)下所實(shí)現(xiàn)的功能.
現(xiàn)有的功能建模方法主要考慮系統(tǒng)的輸入-輸出流轉(zhuǎn)化,難以表達(dá)系統(tǒng)狀態(tài)切換.不僅會(huì)導(dǎo)致功能模型的不完整,還會(huì)使系統(tǒng)工程師無法區(qū)分不同系統(tǒng)狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的功能,造成功能模型的模糊.通過引入狀態(tài)與行為的概念,本文所提出的廣義功能建模方法不僅可以表達(dá)與狀態(tài)切換相關(guān)的廣義功能,還可以表達(dá)系統(tǒng)在各狀態(tài)下所實(shí)現(xiàn)的不同功能,從而建立更加完整和清晰的功能模型.與現(xiàn)有的功能建模方法相比,本文所提出的方法以已知的系統(tǒng)架構(gòu)為基礎(chǔ),因而更適用于設(shè)計(jì)分析階段.
在復(fù)雜系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)過程中,結(jié)構(gòu)化的功能建模方法可以幫助工程師準(zhǔn)確和完整地描述系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)的結(jié)果.然而,現(xiàn)有的功能建模方法一般僅考慮系統(tǒng)的輸入-輸出流,缺乏對(duì)涉及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)改變的功能的考慮,因而難以支持系統(tǒng)工程師清晰和完整地表達(dá)功能.因此,本研究提出了集成狀態(tài)的廣義功能建模方法,以支持系統(tǒng)工程師對(duì)復(fù)雜多狀態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行功能建模.首先,建立了組件的State-Behavior-Function模型,從而實(shí)現(xiàn)組件的結(jié)構(gòu)狀態(tài)、行為以及功能的清晰和完整的表達(dá).在此基礎(chǔ)上,建立了系統(tǒng)的廣義功能建模方法,從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化的表達(dá),以及輸入-輸出流轉(zhuǎn)化的表達(dá).最后,以某型號(hào)離心機(jī)的一個(gè)概念設(shè)計(jì)方案為例,對(duì)上述方法進(jìn)行了驗(yàn)證,驗(yàn)證結(jié)果表明:本文所建立的廣義功能建模方法能清晰和完整地表達(dá)復(fù)雜系統(tǒng)的功能.本研究還將探索集成狀態(tài)的廣義功能仿真方法,以幫助工程師高效驗(yàn)證復(fù)雜系統(tǒng)的功能邏輯,提高功能設(shè)計(jì)的質(zhì)量.