集成狀態(tài)的廣義功能建模方法

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)計研究院， 上海 201210)

在復(fù)雜系統(tǒng)的概念設(shè)計過程中，工程師通常需要對功能設(shè)計的結(jié)果進(jìn)行描述，以向后續(xù)的設(shè)計階段準(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)的一個重要功能，但現(xiàn)有方法難以支持系統(tǒng)工程師對這一功能進(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)行驗證.

1 組件廣義功能建模

在復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計過程中，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.

1.1 組件狀態(tài)

組件狀態(tài)是對組件結(jié)構(gòu)的抽象概括，因而也稱為結(jié)構(gòu)狀態(tài).由于一個組件在物理上可以分解為多個零件，如軸、鍵和齒輪，所以本研究所提出的組件狀態(tài)實際為關(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個檔位，它們分別對應(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)可以反映一個組件的不同狀態(tài)，從而作為組件廣義功能建模的基礎(chǔ).

1.2 組件行為

由于組件具有多個狀態(tài)，所以需要對組件的狀態(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，若左側(cè)線圈收到電信號，則閥門內(nèi)左側(cè)的油路將接通，意味著該閥門將實現(xiàn)一個行為，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；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)線圈所對應(yīng)的控制端口.

1.3 組件功能

組件功能為組件對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)一個組件在各狀態(tài)下所實現(xiàn)的不同功能.例如，當(dāng)電磁閥處于“right_open”狀態(tài)時，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，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應(yīng)關(guān)系，從而清晰地表達(dá)組件在各狀態(tài)下所實現(xiàn)的不同功能.

2 系統(tǒng)廣義功能建模

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改變自身的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，以先后實現(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)分電動工具在不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)下所實現(xiàn)的功能.為實現(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.

2.1 系統(tǒng)狀態(tài)

系統(tǒng)狀態(tài)是對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的抽象概括，其中，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是指系統(tǒng)所包含的對象(組件或子系統(tǒng))，以及這些對象間的功能連接關(guān)系.功能連接意味著一個對象的輸出流可以成為另一個對象的輸入流，因而本研究所提出的系統(tǒng)狀態(tài)概念不同于動態(tài)系統(tǒng)控制中與時變參數(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個輸出端口(port_outik)與Comj的第t個輸入端口(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)和電動機(jī)相連，還可以表達(dá)機(jī)械連接，如電動機(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

2.2 系統(tǒng)行為

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)所收到的控制信號引起的.接收到控制信號后，系統(tǒng)會將控制信號傳遞到內(nèi)部一(多)個組件的控制端口上，從而觸發(fā)這(些)個組件的行為(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)的一個行為可能需由多個控制信號觸發(fā).例如，離心機(jī)需收到所有相關(guān)的控制信號,包括卸料閥關(guān)閉信號和洗滌閥打開信號等，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).

2.3 系統(tǒng)功能

與組件功能的概念一致，系統(tǒng)功能是指系統(tǒng)對輸入流的作用，以產(chǎn)生所需的輸出流，因而這里所說的功能實際上是系統(tǒng)的狹義功能.當(dāng)系統(tǒng)接收到輸入流時，該輸入流將被分配到系統(tǒng)內(nèi)的某個(些)組件上.這個(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，系統(tǒng)內(nèi)的組件對上述輸入流進(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)個組件的輸入，而其輸出實際是一(多)個組件的輸出.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)的一個輸入流及其輸入端口；flow_outk與port_outk分別為系統(tǒng)的一個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}〉.

3 應(yīng)用驗證

為驗證上述廣義功能建模方法，本研究對某系統(tǒng)建模軟件進(jìn)行了二次開發(fā)，實現(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.

以某型號離心機(jī)的一個概念設(shè)計方案為例，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

3.1 組件廣義功能建模示例

在上述離心機(jī)的概念方案中，電磁閥對離心機(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)能實現(xiàn)一(多)個組件行為，以實現(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)行為控制信號與接收控制信號的控制端口；“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”為電磁閥實現(xiàn)該功能時所處的狀態(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

3.2 系統(tǒng)廣義功能建模示例

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)對懸浮液進(jìn)行分離時，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，對離心機(jī)系統(tǒng)的行為進(jìn)行建模.為實現(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，收到控制信號時，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；p_Control為接收上述控制信號的控制端口；“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，對離心機(jī)系統(tǒng)處于“分離”狀態(tài)時的功能進(jìn)行建模，結(jié)果如圖7所示，黑色粗實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，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，對離心機(jī)系統(tǒng)處于“洗滌”狀態(tài)時的功能進(jìn)行建模(見圖8).對比圖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，所實現(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

3.3 討論

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)行對比，以闡明廣義功能模型的優(yōu)點.

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)境對象之間的關(guān)系，而本文則是指系統(tǒng)內(nèi)部的對象(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)對于外部環(huán)境對象作用所導(dǎo)致的環(huán)境對象的改變，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)對于外部環(huán)境對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)對于外部對象的作用，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.不僅會導(dǎo)致功能模型的不完整，還會使系統(tǒng)工程師無法區(qū)分不同系統(tǒng)狀態(tài)所對應(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)計分析階段.

4 結(jié)語

在復(fù)雜系統(tǒng)的概念設(shè)計過程中，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，以某型號離心機(jī)的一個概念設(shè)計方案為例，對上述方法進(jìn)行了驗證，驗證結(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證復(fù)雜系統(tǒng)的功能邏輯，提高功能設(shè)計的質(zhì)量.