本发明公开了一种基于性能组件模型和图文法的产品自动方案优化设计方法，包括以下步骤：依据模型演化历史采用面向对象的方法建立一个复合性能组件模型库；以产品功能结构图作为参考模型，由产品配置和布局设计获得的图文法及性能组件性能接口参数和功能图中的信息、能量和物料流进行匹配来驱动系统性能模型的动态生成；采用元模型将系统性能模型转变为包含优化目标模型及其相关约束的数学模型；启动结合性能仿真框架的优化算法来求解该优化设计问题。优化后得到的最终结果包含性能组件的最优配置及最佳设计参数，该方法能够搜索比传统的基于变量的优化设计方法更大的空间，从而能获得更优的结果。
1.一种基于性能组件模型和图文法的产品自动方案优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)依据性能模型演化历史采用面向对象的方法建立一个复合性能组件模型库；
所述的性能模型演化历史是指针对产品方案设计过程所建立的不同精度的性能模型，包括针对原理设计的期望性能模型，针对工作结构设计的预测性能模型和针对实际工况的实际性能模型，这些模型以初始的物理或化学基本定律为依据不断扩展演化得到；复合性能组件模型包括描述设计演化历史的应用层，描述性能模型类型的对象层和描述性能模型图结构的计算层；所述计算层是由结点和边组成的有向结构图，其中结点分为设计公式结点和设计变量结点，有向边则是设计变量结点和设计公式结点之间的联系；当有向边由设计变量结点指向设计公式结点表明变量是公式的输入，当有向边是由设计公式结点指向设计变量结点则表明变量是公式的输出；
(2)以产品功能结构图作为参考模型，由产品配置和布局设计获得的图文法规则、性能组件模型接口参数和功能结构图中的信号、能量及物料流的匹配规则来驱动系统性能模型的动态生成；
所述的产品功能结构图是指根据用户需求建立的描述产品功能组成及能量、信号和物料流的方块图，该图被用作系统性能模型生成的初始参考模型；在系统性能模型生成过程中，功能结构图中的功能结点按照图文法的重写规则变换成性能组件结点，图中的能量、信号和物料流则转变成性能组件的输入输出变量；在系统性能模型生成过程中用到三类规则，即基于产品配置需求的功能层文法规则，功能‐组件映射规则和参数层规则，依据这三类规则，初始的功能宿主模型变换为系统性能模型分为三个子步骤：在第一子步骤中，产品功能的拓扑和类型，相同功能结点的个数以及功能属性的定量要求被确定下来；在第二子步骤中，启动功能结点的实例化过程，功能结点转变为性能组件，同时，能量、信号和物料流转变为性能组件的输入输出变量；在第三子步骤中，首先确立各个组件包含的公共设计变量，然后对每个优化设计变量按照设计人员的经验或设计手册赋予一个变化区间；
(3)采用元模型将系统性能模型转变为包含优化目标模型及其相关约束的数学模型，所述数学模型的形式如下：Min Vo
Vo＝F3(Vbdy5,Vini6,Vint1,Vint2,Vind31…,Vind3n)Vint1＝F1(Vbdy1,Vini2,Vind11…,Vind1l)
Vint2＝F2(Vbdy3,Vini4,Vind21…,Vind2m)
Vind1iu≤Vind1i≤Vind1il，i＝1,…,l
Vind2j≤Vind2j≤Vind2j，j＝1,…,m
Vind3ku≤Vind3k≤Vind3kl，k＝1,…,n
其中，Vo为需要优化的目标性能变量，F3(Vbdy5,Vini6,Vint1,Vint2,Vind31…,Vind3n)为优化目标函数，Vint1＝F1(Vbdy1,Vini2,Vind11…,Vind1l)和Vint2＝F2(Vbdy3,Vini4,Vind21…,Vind2m)为中间设计变量及其函数，Vbdy1,Vbdy3,Vbdy5为边界条件变量，Vini2，Vini4，Vini6为初始条件变量，Vind1i，Vind2j，Vind3k为独立设计变量，l，m，n为中间函数及目标函数中独立设计变量的数量，Vind1il和Vind1iu分别为独立设计变量的上限和下限；
所述元模型由四部分组成，即，①模型计算所用的辅助信息，包括材料属性、边界和初始条件；②约束方程或不等式格式化和计算部分；③目标函数格式化和计算部分；④函数返回部分；所述元模型的中间两个部分由系统性能组件模型转换而来，并利用性能组件模型的接口参数建立约束方程和目标参数之间的关联；依据元模型模板获得的系统性能优化模型，在进行优化求解之前需要进行变换时，通过变量替换、代理模型应用和优化目标变更将一个复杂、耦合的优化设计问题转变为一些可求解的子模型，或者是将单目标优化问题转变为多目标优化问题，或者建立模型离散求解方法；
(4)启动结合性能仿真框架的优化算法来求解该优化设计问题，具体为：将仿真框架用于优化模型的求解，将优化算法用于对优化变量进行编码、赋值和目标评价；优化算法采用遗传算法，仿真框架采用MatLab；
(5)查看并保存步骤(2)得到的设计方案及步骤(4)得到的优化目标和优化变量取值；
如果此时的优化迭代次数小于预设规定次数，则迭代执行步骤(2)‐(4)；如果已达到规定迭代次数，则从保存的设计方案中选择最优的方案及设计变量和目标。
基于性能组件库和图文法的产品自动方案优化设计方法
技术领域
[0001] 本发明属于计算机辅助机械设计技术领域，涉及机械产品方案优化设计的方法。
背景技术
[0002] 设计人员在产品方案设计阶段做出的决策对产品的设计目标有重要的影响，这是因为在此阶段由于工程分析的不确定性会导致大量可能的设计选项被淘汰，从而使得最终的最优设计方案只能限制在一个较小的可行设计空间内。在产品方案设计阶段进行不确定性条件下的分析和优化设计的研究较少。在产品方案设计阶段，除了具有参数不确定性外，还广泛存在模型不确定性。模型不确定性，有时也称为结构不确定性或非参数不确定性，一般定义为没有一个统一的、可被认可的描述某个问题的模型。在产品方案设计阶段，产品模型可分为设计域和性能域模型，其中设计域模型是指包含产品功能结构、物理效应、工作结构和系统配置等在内的模型。设计域的不确定性结构对产品性能域模型有直接的影响。因此，考虑这两者之间的直接关联关系，对产品性能域模型及其参数直接进行优化组合是一种可直接消除在产品方案设计阶段广泛存在的模型和参数不确定性的方法，并能够获得比单纯进行参数优化设计更好的设计结果。
[0003] 对现有的技术文献检索发现，目前关于在产品详细设计阶段进行不确定条件下的产品优化设计方法已经有很多的研究，Yao等和Zang等进行了综述，但在方案设计阶段进行模型不确定性分析和优化研究很少。现有的方案设计方法如质量功能展开(QFD)、TRIZ理论等虽然具有进行产品方案设计的功能，但这些方法当中缺少一种能够可编程的、能够连续处理结构不确定设计问题的模型变换方法。在网络通信和计算机多处理系统中虽然已经出现了一些系统和组件并行优化设计的方法，如Thai and Pardalos以及Kempf等所述，但这些方法很难移植到机械设计领域，这是因为机械设计中存在的大量约束很难用这些方法进行处理。鉴于此，基于提出的产品性能组件库和设计过程中积累的图文法规则，本发明提出一种能够在机械产品方案设计阶段进行系统和性能组件同时优化的设计方法。
发明内容
[0004] 本发明的内容是针对现有技术的不足，提出一种基于性能组件库和图文法的产品自动方案优化设计方法。该方法以产品系统设计为主要应用对象和领域，通过对组成产品系统的性能组件进行变换，能够在更大范围内对产品设计域进行探索，在对模型和参数不确定性进行消解的过程中，同时获得比传统参数和变量优化设计方法更优的设计结果。
[0005] 本发明是通过以下的技术方案实现的，一种基于性能组件模型和图文法的产品自动方案优化设计方法，包括以下步骤：
[0006] (1)依据性能模型演化历史采用面向对象的方法建立一个复合性能组件模型库；
[0007] 所述的性能模型演化历史是指针对产品方案设计过程所建立的不同精度的性能模型，包括针对原理设计的期望性能模型，针对工作结构设计的预测性能模型和针对实际工况的实际性能模型，这些模型以初始的物理或化学等基本定律为依据不断扩展演化得到；依据性能演化模型，所述的复合性能组件模型包括描述设计演化历史的应用层，描述性能模型类型的对象层和描述性能模型图结构的计算层；所述计算层模型是由结点和边组成的有向结构图，其中结点可分为设计公式结点和设计变量结点，有向边则是设计变量结点和设计公式结点之间的联系；如果有向边由变量结点指向公式结点表明变量是公式的输入，而如果边是由公式结点指向变量结点则表明变量是公式的输出；所述复合性能组件模型满足了产品设计演化的实际需求，便于在不同的产品设计阶段选择不同的性能组件，同时该模型的对象层和计算层便于设计人员进行模型的推理和评价计算，并且基于图模型的计算模型也方便后续的系统性能模型的生成；
[0008] (2)以产品功能结构图作为参考模型，由产品配置和布局设计获得的图文法及性能组件性能接口参数和功能图中的信息、能量和物料流进行匹配来驱动系统性能模型的动态生成；
[0009] 所述的产品功能结构图是指根据用户需求建立的描述产品功能组成及能量、信息和物料流动的方块图，该图被用作系统性能模型生成的初始参考模型；在系统性能模型生成过程中，功能结构图中的功能结点按照图文法的重写规则变换成性能组件结点，图中的能量、信号和物料流则转变成性能组件的输入输出变量；在系统性能模型生成过程中用到三类规则，即基于产品配置需求的功能层文法规则，功能‐组件映射规则和参数层规则。规则的具体格式可参阅图文法的著作如Rozenberg编著《Handbook of Graph Grammars and Computing by Graph Transformation》等。依据这三类规则，初始的功能宿主模型变换为系统性能组件模型可分为三个子步骤：在第一子步中，产品功能的拓扑和类型，相同功能结点的个数以及功能属性的定量要求被确定下来；在第二子步中，启动功能结点的实例化过程，功能结点转变为性能组件，同时，能量、物料和信号流转变为性能组件的输入输出变量；在第三子步中，首先确立各个组件包含的公共设计变量，然后对每个优化设计变量按照设计人员的经验或设计手册赋予一个变化区间；
[0010] (3)采用元模型将系统性能模型转变为包含优化目标模型及其相关约束的数学模型，所述数学模型的形式如下：
[0011] Min Vo
[0012] Vo＝F3(Vbdy5,Vini6,Vint1,Vint2,Vind31…,Vind3n)
[0013] Vint1＝F1(Vbdy1,Vini2,Vind11…,Vind1l)
[0014] Vint2＝F2(Vbdy3,Vini4,Vind21…,Vind2m)
[0015] 边界条件：
[0016] Vbdy1,Vbdy3,Vbdy5
[0017] 初始条件：
[0018] Vini2,Vini4,Vini6
[0019] 优化变量取值约束：
[0020] Vind1iu≤Vind1i≤Vind1il(i＝1,…,l)
[0021] Vind2ju≤Vind2j≤Vind2jl(j＝1,…,m)
[0022] Vind3ku≤Vind3k≤Vind3kl(k＝1,…,n)
[0023] 其中，Vo为需要优化的目标性能变量，F3(Vbdy5,Vini6,Vint1,Vint2,Vind31…,Vind3n)为优化目标函数，Vint1＝F1(Vbdy1,Vini2,Vind11…,Vind1l)和Vint2＝F2(Vbdy3,Vini4,Vind21…,Vind2m)为中间设计变量及其函数，Vbdy1,Vbdy3,Vbdy5为边界条件变量，Vini2，Vini4，Vini6为初始条件变量，Vind1i，Vind2j，Vind3k为独立设计变量，l，m，n为目标及中间函数中独立设计变量的数量，Vind1il和Vind1iu分别为独立设计变量的上限和下限；
[0024] 所述元模型由四部分组成，即，①模型计算所用的辅助信息，包括材料属性、边界和初始条件等；②约束方程或不等式格式化和计算部分；③目标函数格式化和计算部分；④函数返回部分；所述元模型的中间两个部分可由系统性能组件模型转换而来，并利用性能组件模型的接口参数建立约束方程和目标参数之间的关联；依据元模型模板获得的系统性能优化模型，在进行优化求解之前有时需要进行变换，这些变换通过变量替换、代理模型应用和优化目标变更等将一个复杂、耦合的设计问题转变为一些可求解的子模型，或者是将单目标优化问题转变为多目标优化问题，或者建立模型离散求解方法以便获得高效、可行的求解方法；
[0025] (4)启动结合性能仿真框架的优化算法来求解该优化设计问题，具体为：将仿真框架用于优化模型的求解，将优化算法用于对优化变量进行编码、赋值和目标评价；优化算法采用遗传算法，仿真框架采用MatLab；
[0026] (5)查看并保存步骤2得到的设计方案及步骤4得到的优化目标和优化变量取值；如果此时的优化迭代次数小于预设规定次数，则迭代执行步骤2‐4；如果已达到规定迭代次数，则从保存的设计方案中选择最优的方案及设计变量和目标。
[0027] 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：在设计人员按照本发明中所规定的方法建立好性能组件库之后，可以快速地生成多个产品系统方案，并对这些方案的参数进行优化，这样一方面节省了大量的人力用于产品新方案的生成，同时能在更大范围内进行方案优选，在提高产品方案设计效率的同时，可获得比传统单纯参数优化设计更好的设计方案。
附图说明
[0028] 图1为基于性能组件库和图文法的产品自动方案优化设计方法示意图；
[0029] 图2为伴随产品方案设计进程的性能模型演化；
[0030] 图3为复合组件模型；
[0031] 图4为以油气悬挂系统为例说明复合组件模型库建设方法
[0032] 图5为基于图文法的系统性能模型动态生成；
[0033] 图6为系统性能组件图生成和转换过程；
[0034] 图7为基于元模型的系统优化模型装配；
[0035] 图8为优化变量编码。
具体实施方式
[0036] 以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，本发明的目的和效果将变得更加明显。
[0037] 本发明提供了一种基于性能组件库和图文法的产品自动方案优化设计方法，如图1所示。该产品自动方案优化设计方法通过采用组件组合图文法规则对按一定要求建立的性能组件库进行操作来动态生成系统性能模型，并将该系统性能组件模型转化为系统优化模型进而进行求解的方法。该方法能在模型和参数两个层次内进行产品设计方案的探索，不仅能提高产品方案设计的效率，还能获得比传统单纯参数优化设计更好的设计方案。
[0038] 在该方法中，产品性能模型采用MatLab进行编写，方案生成模块采用GrGen.net进行编写，产品配置需求及性能组件管理和系统优化模型生成及求解模块采用Visual Basic.net编写。依据模型演化历史，提出了如图2所示的、具有不同精度的三种性能模型。在此基础上，建立了如图3所示的产品复合性能组件模型库，图4以油气悬挂系统为例，给出了复合组件模型库实例。在建立了产品性能组件模型库之后，下面结合图5‐图8来详细说明产品方案优化设计的过程。
[0039] 在产品方案优化设计过程中(图6所示)，首先按照图5所示建立一个初始的产品功能结构图。该结构图以图的形式进行表达，可由产品功能层图文法规则进行分解、扩展和合并等，以便最终生成满足用户需求的产品功能结构模型。然后，采用功能‐组件映射规则将建立好的产品功能结构模型映射为产品系统性能组件模型，其中功能结构图中的功能结点变为性能组件结点，功能图中的能量、信号和物料流变成性能组件的输入和输出变量。最后，对变换得到的系统性能组件图中各个组件的变量进行统计，找到公共设计变量，避免在优化时重复编码，同时对每个优化设计变量赋予一个变化区间。在获得系统性能组件结构图之后，还需要将该结构图变为可用来优化求解的数学模型。在转换过程中采用了基于元模型的变换方法，如图7所示。在转换过程中，系统性能组件图中的两个中间变量Vint1和Vint2称为性能组件F1、F2和组件F3的关联变量，并在优化模型中成为优化目标和设计约束之间的联系变量。每个性能组件采用一个MatLab脚本函数文件编写，其调用顺序要按照是否有变量关联关系进行确定。在确定系统性能优化模型后，对第三步中确定的优化变量进行编码，编码过程如图8所示，并启动遗传算法进行优化计算。
[0040] 本发明充分考虑了机械产品方案设计时的模型和参数不确定性和为适应不同产品设计需求的模块开发性问题，为解决产品方案设计阶段设计信息缺乏、往复迭代、计算工作量大等问题提供了一个基于性能组件库和图文法的可行方案优化设计方法。该方法利用据用广泛适应性的性能模型进行组合优化，同时能够融合设计人员积累的产品组件配置知识，加上目前计算机所具有的强大计算能力，能在模型和参数两个层次对产品设计域进行搜索，能够高效的获得比传统单纯的参数优化更好的设计方案。
[0041] 上述对实施方式的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域的技术人员显然可以将本发明所介绍的方法应用于他们的设计实践，并对本方法作出适当的修改，这个过程不需经过创造性劳动。本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
