基于ALAP元模型的产品功能模型

摘 要:针对当前产品功能建模理论没有覆盖智能设计完整生命周期的问题,提出应用―逻辑―算法―物理分层抽象模型(Application,Logic,Algorithm,Physics layer abstract model,ALAP),将其作为产品功能模型的元模型,并阐述产品功能模型的构建流程;提出用于描述产品功能模型的功能对象方法树(Function Object Method Tree, FOMT),并给出座椅设计描述的实例ALAP具有一般性、开放性和通用性的特点,可为新的产品功能模型开发提供参考,也能规范已有模型,使不同模型之间可以通信.

关键词:产品功能模型; 应用―逻辑―算法―物理分层抽象模型; 智能设计; 功能对象方法树

中图分类号:TH122; TP391.72 文献标志码:A

Product function model based on ALAP meta,model

HAO Yongtao, TANG Tao, MA Chong

(CAD Research Center, Tongji Univ., Shanghai 200092, China)

Abstract: As to the issue that the product function modeling theories do not cover the whole life circle of intelligent design, Application,Logic,Algorithm,Physics layer abstract model(ALAP) is proposedIt is taken as the meta,model of product function modeling and the modeling process is detailedFunction Object Method Tree(FOMT) is proposed to describe the product function model and an example about chair design is presentedALAP is of generality, openness and universalityIt can be used to provide reference for the development of new product function model, regulate the current model, and establish communication between different models.

Key words: product function model; application,logic,algorithm,physics layer abstract model; intelligent design; function object method tree

0 引 言

产品设计是体现产品创新性、提高产品核心竞争力的关键因素.当前,为缩短设计周期、满足快速变化的市场需求,对产品的设计水平提出很高要求.智能计算机辅助设计(Intelligent Computer Aided Design,ICAD)的目的就在于能使用电脑设计取代人工设计的过程或者覆盖大部分流程,加快产品设计周期而不失创新.

产品的设计可分为概念设计、结构设计和详细设计等3个阶段,产品功能模型在概念设计阶段起着重要作用:(1)将设计问题在功能层面进行抽象描述,保证设计功能完全满足需求;(2)将大问题转化为较小问题,并层次化、模块化,使总的设计问题转化为一系列容易求解的子问题;(3)作为后续的功能结构映射和设计评估等的基础和依据.在当前的产品智能设计模型研究中采用的方式可分为2类:一类是在较成熟的概念设计理论模型基础上,采用智能化技术实现设计目标,如SUH提出的公理化设计理论(axiomatic design theory)和QIAN等提出的FBS(Function,Behavior,Structure)模型等;另一类是参照生物进化模型建立相应的产品设计基因模型以及产品几何结构的基因编码研究.

虽然目前已有不少研究成果,但仍存在较多问题:(1)缺乏覆盖全生命周期的智能化设计模型,仅是局部的智能化,实现不了产品设计的自动化和智能化目标.(2)由于缺乏规范的智能设计模型间交流、协作机制,使得采用不同智能实现手段间的研究不能相互协作.基于此,本文提出应用―逻辑―算法―物理分层抽象模型(Application,Logic,Algorithm,Physics layer abstract model,ALAP)作为产品功能模型的元模型,抽象描述产品的功能模型,并给出1种基于ALAP的产品功能模型的实现.

1 ALAP分层抽象模型

设计是复杂但具有层次和条理的综合系统,借鉴网络ISO 7层抽象模型,通过不同层次间的“服务”和“接口”,建立1个类似机制,完成从需求到功能结构建立的整个过程,使整个分析过程层次化、条理化.首先给出以下定义:

功能元(meta,function)为在一定粒度规定下功能分解能达到的最小子功能,记为m;功能单元(function unit)为能被单一功能接口抽象实现其功能的子功能、功能元,即功能分解树状结构的叶子结点,记为u;功能单元方法接口(简称功能接口,function interface)为实现某功能单元功能的抽象解,由功能方法提供实现,记为i,对于任意u,存在i使得u=f(i)成立,f(x)表示功能接口到功能单元的一一映射;功能方法(function way)为实现某功能接口的过程,即某功能接口的实现路径,由功能操作序列实现,记为w,用g(x)表示功能方法到功能接口的一一映射,i=g(w);功能操作(function operation)为具体的实现,记为o,用z(x)表示功能操作到功能方法的多对一映射,w=z(o).

基于智能产品功能建模的目标,可将智能产品模型结构抽象为应用层、逻辑层、算法层和物理层等4个层次,见图1.图 1 ALAP分层抽象模型及对应的产品功能模型

(1)应用层为该模型的最高层,对应1个类集(classes)或概念集(concepts),在产品功能模型中对应产品设计需求分析的表达.

(2)逻辑层为该模型的应用层服务,也可称为逻辑关系层,体现某个领域内概念之间的相互关系,可定义为基本关系集合的幂集.形式表达式为ИR=P(S)∶={U|US}И式中:S为基本关系的集合.在产品功能模型中对应功能上下级的分解关系,即上级功能由下级子功能实现,逐层分解,直至最终分解到功能的最小粒度――功能元;同时也包含同级功能间的关系.

(3)算法层是将逻辑层的“要求”映射到物理层的具体承载体,实现“转换”或“解析”的功能,是整个模型中的关键部分,其形式表达式为ИX(x)fY(y)И 在产品功能模型中对应将功能元“转换”到物理结构的算法,本文引入“功能接口”的概念――即功能元通过功能接口“寻找”物理构件.

(4)物理层是上述诸层的最终物理承载者,通过“功能接口”为上级层提供服务.就产品设计而言,最终的功能或结构模型的物理承载者必然是一些基本的物理构件.与网络的ISO模型一样,ALAP强调与最终物理构件的存储结构、表示方式无关,因而将物理层视作“功能接口层”.完成具体功能的接口由若干方法或直接由机构实现,每个功能接口(IF)形式上可定义为n-1个方法(Fx)所确定的1个功能(F),形式表达式为ИIF∶=F1×F2×…×F

n-1FИ2 基于ALAP的产品功能模型

在基于ALAP的产品功能模型中,将应用层和逻辑层归于功能设计阶段,主要完成产品功能定义、功能规划分解、功能描述(确定功能表现形式)以及分解方案评估等;而算法层和物理层则属于功能求解(映射)阶段,主要完成功能到结构的映射.

基于ALAP描述的产品功能模型见图2.在该模型中,应用层确定功能定义;然后进入逻辑层,完成功能的分解并采用功能对象方法树对其进行具体描述;通过功能接口完成到结构的映射;最后匹配解析功能元构件,实现整个产品功能模型的功能.

图 2 基于ALAP描述的产品功能模型

2.1 产品功能模型协议

在ALAP中,同层次间需要遵守一系列规则或约定,这些规则或约定称为协议.基于ALAP的产品功能模型中,层内和层间同样存在多种操作需要规范和协同工作,这些规范性的约定即具体协议.

由图2可知,功能划分协议是将产品的功能设计要求按层划分,通过层内、层间对象间关系形成树状结构的一系列规则;编码协议是将功能按一定的约定编码,使整个功能树状结构编码后的序列构成功能基因组的一系列规则;操作是功能方法的具体实现步骤,操作序列构成功能方法;操作协议是将编码的操作序列进行特定运算操作(如进化计算、逻辑推理等)所设的一系列规定;评价协议是将设计产品从功能完备性、结构合理性以及性能优化、成本低廉等方面进行评价的一系列规定,如通过建立2阶模糊评价模型确定评价指标,建立评价规则,对备选方案进行评价选择等.

2.2 功能建模框架

功能设计阶段主要用确定的功能表达满足所设计对象的功能需求.在进行功能设计前,需建立1个不依赖于具体类型产品的功能定义模块,由抽象层次到具体层次对功能进行定义,避免歧义,同时精确表达功能范畴.功能建模框架见图3,具体的功能设计为:(1)根据设计任务,参考功能定义,得到功能需求;(2)根据功能需求,参考功能定义,得到高层次的功能抽象;(3)由确定的抽象功能进行功能层次分解,得到进一步细化功能层次;(4)判断分解所得方案是否满足产品功能完备性及功能分解的合理性,如满足,进入下一步,否则返回(3)进行调整;(5)将(3)所得功能分解方案转化为功能对象方法树;(6)对功能对象方法树进行编码,形成功能基因组序列传递给功能映射阶段,进行后续操作.

图 3 功能建模框架

3 产品功能模型建模方法

3.1 功能定义

功能定义决定功能分解的方法以及功能的描述形式,而产品功能模型必须适应于功能分解的方法.在定义产品功能时,从功能设计阶段以用途观点出发,将满足产品需求的功能定义为用途功能,又因为用途功能的作用方向为对外,也称为外功能;而在功能映射阶段引入结构功能的概念,结构功能的作用方向为对内,即结构体之间的相互作用,称为内功能.所以,功能可定义为对象能满足某种需求的1种属性以及对象为完成某种任务而存在的总的相互关系.该定义将设计对象的外功能和内功能统一于1个概念中.

3.2 抽象功能确定

抽象功能是指能完成当前产品功能的所有需求的1个功能,它仅作为功能设计的起点和分解的出发点.虽然不实际存在,但可通过由分解出来的各种功能组合实现.很难详尽且准确描述产品的功能,但采用黑箱法可确定出这样的1个抽象功能.对于一些复杂的系统和问题,难以一下子认识、模拟和控制,如1个不透明的、不知其内部结构的“黑箱”,对系统的核心内容可能未知,因而只能通过外部观测分析黑箱与外部环境之间发生的物质、能量和信息的交换或对外界状态的改变,以了解其功能和特性,进一步寻求其内部机理及结构,从而确定总功能,抽象功能黑箱法示意见图4.

图 4 抽象功能黑箱法示意

可参照黑箱法,从客户需求出发确定对产品预期用途的满足.此处,“流入”为客户对产品用途的需求;“流出”为支持满足需求的功能对象.

3.3 功能分解和映射

3.3.1 功能分层划分及功能抽象解

可将产品概念设计的功能分解问题归为模块划分领域研究或在面向产品生命周期中不同阶段的面向设计的模块划分,其实质与原理一致,因此产品模块划分的原则和方法也普遍适用于产品功能的划分,即产品功能分解:模块划分具有分级特性,这由产品自身的特点决定.

由于功能的多层次性,总功能可分解为子功能,子功能也可继续分解,直至分解为功能元.将功能元和子功能有意义地、相容地联结成总功能,即为功能设计阶段的任务.由此形成的设计对象功能层次分解结构和与其底层的功能元或子功能对应匹配的功能接口,形成功能抽象解,其示意见图5.

图 5 功能抽象解示意

图中功能关系即为子功能之间的关系.功能关系大致可分为2类:一类为子功能之间存在的逻辑关系,如与或关系、因果关系和物理关系等;另一类为子功能之间存在的组织关系,即由设计者根据需要安排的关系.功能设计阶段的步骤为:(1)根据任务需求确定总功能;(2)将总功能按功能划分协议分解为子功能;(3)根据功能关系将子功能联结起来并匹配对应功能接口,形成设计对象的功能抽象解.

功能方法的具体实现可在保证满足功能接口这个目标下进行变异,即实现功能方法具体的操作序列的变化,因此整个设计的2个阶段保持相对独立.

3.3.2 功能划分协议和匹配

功能分解是功能设计实现的关键,不同产品的功能划分可能呈现多样性,因而在分解过程中需约定功能划分协议,在分解时遵循以下原则:(1)保持功能分解时各子功能对总功能的实现完备性;

(2)子功能之间的相关性尽量少,即弱耦合;(3)分解的粒度适中;(4)分解需参考典型部件和通用性原则; (5)优先考虑产品核心执行功能的基本单元;(6)为获得足够多的方案解,可将要求高的功能单元适当弱化.

3.3.3 功能映射

在功能分解的过程中,分解结束的依据是找到合适的功能元,这是功能映射的第1步.在功能元匹配功能接口时,遵循以下原则:(1)功能单元是否能被独立或组合的功能接口完成;(2)功能单元是否有相应的功能接口构件类型支持;(3)功能单元匹配功能接口是否完备.

在功能元与功能接口匹配后,最终的实现依赖于功能接口到功能方法的映射,即功能接口的实现,这是功能映射的第2步.功能方法的实现涉及功能序列,这是具体功能的实现,涉及到物理结构层次,同时也是下一阶段设计的起点.

3.4 产品功能模型描述

上述内容需要1个形式化的方法进行描述,可定义模型的精确性,也可对应模型的本质要求,同时便于不同领域内的沟通和交流.本文参考功能方法树,综合考虑产品设计中产品分解的3种方法,即面向部件的分解(component,oriented decomposition)、面向领域的分解(discipline,oriented decomposition)以及面向功能的分解(function,oriented decomposition),从本文的讨论分解方法出发,提出采用功能对象方法树(Function Object Method Tree, FOMT)的方式描述功能分解.FOMT的基本组成是功能对象(总功能对象、子功能对象和功能元对象等)和功能方法接口,见图6.其中的功能对象,除具有功能方法树中功能的属性外,还引入功能承载抽象对象的属性信息,通过该抽象对象的信息,实现面向领域及面向通用、典型部件的功能分解,在复杂产品的设计中能有效降低复杂度.FOMT中的功能方法是功能方法接口的简称,此处的功能方法接口是功能的抽象实现.功能对象和功能方法接口概念的引入使产品面向功能的分解兼具面向领域和面向部件分解的优点,同时使功能分解过程更专注于功能关系的研究.即FOMT的非叶子节点仅由功能对象组成,而叶子节点则是与功能单元对象匹配的功能方法接口.功能方法接口可保证功能设计阶段与功能求解联系的紧密性.

图 6 FOMT原理结构

4 FOMT描述实例

以某带轮可滚动且用旋转轴调控高度的常见办公座椅为例,给出其功能对象原理结构,见图7.

图 7 办公座椅功能对象原理结构

采用FOMT描述方法,得到的最左支功能层次表示如下:

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5 结 论

ALAP分层抽象模型具有通用性和层次性,可用于指导开发新的产品功能模型,也可规范当前已有的模型,使不同模型之间可以沟通和交流,具有较大的应用价值.基于ALAP分层抽象模型的产品功能模型具有面对种类繁多的各种产品功能建模的本质特性,同时由于层次结构具有化繁为简的性能,且协议具备的扩展性,可对功能建模进行理论指导.

后续可在产品功能模型交流的语言――功能定义以及各种协议的形式化表示和映射算法方面作进一步研究,最终完成产品的智能化设计.

参考文献:

[1] 殷国富计算机辅助设计技术与应用[M]北京: 科学出版社, 2000: 10,12.