[发明专利]一种层次化系统集成设计建模方法

说明书

技术领域

本发明属于计算机辅助系统设计领域的研究内容，更具体地说，本发明涉及一种层次化系统集成设计建模方法。

背景技术

复杂产品研发的系统化方法研究是将产品设计和系统工程相结合的产物，其发展已经由来已久，通常以设计过程进行一般描述作为起点，进而探究该过程中完成每项任务所要求的具体步骤形成详细的过程方法。典型的系统研发过程包括四个阶段：阐明任务，说明并定义设计任务；概念设计，定义产品系统的整体功能和子功能，形成功能结构；初步设计和详细设计，从而生成设计方案。

虽然在不同的工程领域中，出现了很多与上述概念设计过程中任务有所差异的过程模型，比如机电系统工程中采用了自上而下的设计过程和自底向上的集成验证过程相结合的“V”模型。这是由于涉及多学科问题，比一般产品的设计过程要复杂，为降低研发失败的风险，复杂机电产品概念设计的重要性不言而喻。

现有的概念设计描述模型存在表达多样性，目标单一性的特点，缺乏统一的描述模型能将设计中不同方面的特征信息(需求、功能、行为和结构等)结合在一起，形成集成的产品概念视角，并通过该系统模型的不断迭代、演化生成可行的概念设计方案，对可选方案进行评估决策后选出最优方案解，作为后续详细设计阶段中的信息来源。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种层次化系统集成设计建模方法，为工程领域系统概念设计过程提供有效的方法。

本发明的一种层次化系统集成设计建模方法，包括以下步骤：

概念设计模型库预定义的步骤：根据不同学科产品系统的设计任务构建导入所使用的需求模型库、功能模型库、行为模型库和结构模型库，采用SysML图形化对模型库进行统一表达；

需求分类建模的步骤：从系统的整体角度出发对系统需求进行图形化建模；

基于用例的功能需求分析的步骤：从用户角度出发，通过用例分析识别产品的主要功能，定义系统边界；

系统功能建模的步骤：设计人员针对特定情况分析确认输入、输出流的类型及数量，进行整体功能识别与定义和基于流端口匹配的功能分解两个基本过程，输出仅包含原子功能的系统功能模型；

多种路径的功能-行为-结构映射的步骤：对得到的功能结构推理出可实现原子功能的物理结构，并建立结构端口之间的联系，形成完整的系统概念设计方案。

作为本发明一种层次化系统集成设计建模方法的第一种优选，其中根据不同学科产品系统的设计任务构建导入所使用的需求模型库的步骤为：

将采用自然语言描述的文档式需求进行模型化，在支持SysML语言的建模工具中直接构建需求模型库，将需求模型库按照功能需求、操作需求、性能需求、接口需求以包的形式分类存储在单独的特定格式的文件中，每个的需求元素通过两个基本属性“Id”和“Text”来表示。

作为本发明一种层次化系统集成设计建模方法的第二种优选，其中根据不同学科产品系统的设计任务构建导入所使用的功能模型库的步骤为：

将基本的原子功能分解为一个四元组，包括功能ID，输入流f_in，功能元p，输出流f_out，采用“功能元+流对象”的功能表达方式，将功能元细分为三层结构表达，将流分为物料、能量和信号三大类。

作为本发明一种层次化系统集成设计建模方法的第三种优选，其中根据不同学科产品系统的设计任务构建导入所使用的行为模型库的步骤为：

将行为层分为预期行为和实际行为两个方面，采用“物理规律+输入输出”的组合形式对预期行为进行表示，将物理规律与结构模型的约束属性进行对应，将输入输出流与功能的输入输出对应，通过方程对结构参数变量及变量之间的关系进行表示；

所述预期行为是从抽象层面上实现系统功能的原理性问题，将流对象的类型和属性变化视为其物理状态的改变，且该变化遵循一定的物理规律，所述的实际行为是结构模块的物理行为。

作为本发明一种层次化系统集成设计建模方法的第四种优选，其中根据不同学科产品系统的设计任务构建导入所使用的结构模型库步骤为：

对系统功能和行为模型进行映射，输出系统结构设计方案，然后通过初步评估验证方案的合理性。

作为本发明一种层次化系统集成设计建模方法的第五种优选，其中基于流端口匹配的功能分解的步骤为：

对功能元进行判断，根据功能元的输入输出流对比结果，如果流的类型、属性中多于一项发生变化，就按照之前规范化定义的功能元及流对象的分层表示方法，将系统整体功能分解细化为三个抽象层次的功能模型。