基于行为流时间序列传递网的发动机建模方法

技术领域

本发明涉及产品建模领域，特别是涉及一种基于行为流时间序列传递网的发动机建模方法。 

背景技术

产品的概念设计是产品开发的第一个阶段，也是一个思维发散和集中设计的过程，通过该过程来实现产品的功能描述、概念定义和结构选择。G.Pahl和W.Beitz在其书中对概念设计定义：“在确定任务之后，通过抽象化，拟定功能结构，寻求适当的作用原理及其组合等，确定出基本求解途径，得出求解方案，这部分设计工作叫做概念设计。美国国家战略研究中心的报告显示，产品价值中70%是由概念设计阶段产生的。而产品概念设计的基础恰恰就是产品建模，由此可见产品建模在整个设计过程中的重要性。对于产品建模设计过程的研究，目前国内外比较典型的有以下几种模型。Qian提出了功能-行为-结构（FBS）模型，以产品功能为总需求，通过对功能-行为-结构的表达，进行产品的拓扑结构设计，并由交互方式在领域内产生新的拓扑方案，其优点是结构设计时不仅考虑其功能需求，而且同时也考虑其行为特性。但是功能的主观性和功能分解的相关性，不能建立通用的模型，将设计完全智能化。D.Serrano提出了由约束满足方法来模拟设计过程的方法,但也没有建立完善的过程模型，不能很好的进行抽象设计。 

产品的概念设计主要是以产品功能设计这一角度为基础，但是产品的复杂性与各个零件之间的直接或间接关联要求设计者不仅要掌握对产品功能的全方位认识，而且必须具备非常丰富的设计经验。作为产品设计的重要一环，产品概念设计目前存在的问题是，从功能反映产品概念设计往往受到设计者的认知和对产品功能理解，功能结构划分的主观因素影响，从这种角度产生的产品设计无法达到通用性，无法满足现代工业对智能化，集成化设计的要求。另外，从功能角度出发的概念设计可能因为主观因素造成产品原材料物理结构与实现功能的偏差。 

产品概念设计是从客户需求开始，进行产品功能和原理求解、子功能分解、零部件构造、装配布局和概念产品评价的过程。在产品的概念设计过程中，建立产品的概念模块，以提高模块内部的聚合程度，降低各个模块之间的耦合程度，使模块通用化、标准化、系列化，从而提高产品的维修性和质量。概念设计工作是一项复杂而又耗时的脑力工作，对计算机辅助 概念设计的研究既提高设计效率，又减轻设计者在设计过程中的脑力和体力劳动。开发具有实用价值的计算机辅助概念设计系统，对提高产品的设计水平、缩短产品开发周期、增强产品竞争力有重要意义。 

发明内容

鉴于以上所述，本发明的目的在于提供一种基于行为流时间序列传递网的发动机建模方法，用于实现产品概念模型的自动化设计以及创新。 

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于行为流时间序列传递网的发动机建模方法，该方法至少包括以下步骤： 

步骤一，将发动机气缸的行为模拟为四个状态，进气、压缩、燃烧和排气； 

步骤二，将时间序列的各项属性和行为流网结合，获得行为流时间序列传递网，用于表达和处理行为流对发动机气缸的建模； 

步骤三，分别对该发动机气缸的四个状态进行行为流网建模。 

优选地，将步骤二中的行为流网拆解为串行原件、并行原件、条件选择原件和循环原件四个基本结构。 

优选地，所述的行为流时间序列为一条连续的函数曲线，曲线的任意一点的值由两个变量确定：时间状态T，环境状态v； 

行为流时间序列如下： 

$\left(\begin{array}{c}B=f(T,v)\\ T=(t_0,\infty )\\ v=V\left(t\right)\end{array}\right)$

其中B为行为流状态，s为结构状态变量、v为环境状态变量，t为连续时间闭区间[L₁，L₂]，L₁＜L₂，L₁为功能实现起始时间，L₂为结束时间。 

通过构建时间行为流网，用组合的时间行为流网TBN模型来分析系统的有效性，并验证TBN模型与系统静态需求规范的一致性。从行为的角度对功能进行重构，有利于实现系统的优化，便于设计者对功能进行重用。行为是可以根据物质状态的改变程度进行划分的，而且这一划分的过程是一个主观的、动态的过程，在产品成型设计过程中，摈弃主观性，进而对设计进行客观公正的分析。接下去针对行为流网的性质进行研究。 

附图说明

图1显示为传统的FBS模型。 

图2显示为现有的行为流产品设计流程。 

图3（a）到3(d)显示为本发明时间序列传递网(BTSTN)基本结构。 

图4（a）到4（d）显示为本发明发动机气缸的四个状态。 

图5显示为本发明发动机进气行为流示意图。 

图6显示为本发明发动机压缩行为流示意图。 

图7显示为本发明发动机燃烧行为流示意图。 

图8显示为本发明发动机排气行为流示意图。 

图9显示为本发明发动机行为流网模型。 

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。 

请参阅图1至9。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。 

产品的行为是客观的，可以有无歧义的通用的表达，这样更加适合计算机的描述；另一方面通过直接对产品行为的研究，能够从起始状态到终态进行全周期的产品建模描述，以方便计算机智能设计的实现。因此本发明提出了基于行为进行产品建模的方法，通过对产品建模过程中行为的研究，将产品的整个生命周期纳入了模型中，进而对模型进行全面的智能设计。 

功能-行为-结构(FBS)模型 

传统FBS模型如图1所示，该模型是由产品的总功能出发，由功能层进行建模，之后层层分解，首先通过功能元与行为层进行映射，然后行为层与结构层再次映射，进而在结构上进行设计。由于功能的分解带有很大的主观成分，同一种功能可以进行多种层次和意义的分解，并不能很好的映射到客观行为，这大大增加了设计的难度；而且多层映射使原功能的意义发生了扭曲，不利于产品后期的设计。 

行为流定义及表达 

相对于行为流，我们首先探讨行为的产生。由于行为相对于设计是客观的，是对物质的一系列操作，通过物质的改变进而形成状态的改变。因此，行为是一个算子，通过操作将物质由一个状态改变为另一个状态，符号表示为 

定义：1.1行为： 

S_in＝(S₁，S₂…，S_n)代表输入的状态组合，S_out＝(S₁，…,S_L)代表操作后输出的状态组合，因此，行为是引起物质状态变化的原因。 

定义：1.2可逆行为： 

如果存在另一个行为ψ，使得 

ψ(S_in)＝S_out    (1.2) 

成立，其中S_in＝(S₁，…，S_L)代表输入的状态组合，S_out＝(S₁，S₂…，S_n)代表操作后输出的状态组合，那么我们称ψ是 的逆行为，记为 

由上面的定义可知，相对于功能而言，行为的定义更加客观，行为注重的是物质的状态，由于物质状态的改变而使功能发生变化，而物质状态的改变又可以准确的通过行为进行描述。有了行为的概念，可以得出行为流的表达式。 

行为流是由初始状态开始，一系列行为通过时序关系的串联或者并联组合，最后达到某一终态，在这一过程中，实现了主观定义的某种功能。我们在设定了时间粒度的前提下，能够对行为流进行分解，行为流从初始状态开始跳转，每次跳转都改变了物质的某个状态，最后达到终态。产品成型过程是一个流动的过程，从初始状态到最终状态这个时间带上，连接所有操作状态的行为在时间概念上成为一个流体，产品结构的状态按照特定的时间顺序发生状态的改变，造成一些列子功能的顺序完成，最终完成特定的总功能。行为流的数学表达如下。 

定义：行为流 

若存在一系列行为 对于初始输入S_in进行操作后，得到的输出为S_out，即： 

则称这以系列行为构成的连贯的操作为行为流，用符号B来表示。其中S_in＝(S₁,S₂…,S_n)代表输入的状态组合，S_out＝(S₁，…,S_L)代表操作后输出的状态组合。 

行为流可以看做是一系列行为的有序实现，从而最终实现了产品的总共能F；即    

由于针对产品功能划分的主观性和不确定性，用行为流来表述产品建模给了设计者一个全新的途径。 

行为的作用对象及物质状态 

行为本身不能实现功能，行为必须作用与物质，将物质从一个状态转变为另一个状态，在此过程中不断实现子功能，从而最终实现总共能。物质是行为对操作主体对象进行处理的客观载体，而物质本身又具有时间、空间和状态上的连续性。 

为了更好的研究行为流，首先针对行为流的作用对象，即物质状态，我们给出定义。 

（1）ID为物质的唯一标识码，用来标识物质的类型。M表示物质的数量。 

（2）L＝(L_i，L_in，L_out，1＝0，1，2......)表示物质的位置，其中Li表示当前物质所处的位置，Lin表示物质的入口位置，Lout表示物质的出口位置。f表示物质的父类。 

（3）sta＝(s，l，g，x)表示物质的相位，s表示固态，l表示液态，g表示气态，x表示混合状态。其中$x=\underset{i=0,j=0,k=0}{\overset{n}{\cup }}{s}_i{g}_j{l}_k.$$x={\cup }_{i=0,j=0,k=0}^n(s_i,g_j,l_k)$

（4）t表示各个离散的时间状态，其中    通过t的确定能够准确的定义出各个时间状态下物质所在的空间状态。 

基于行为流的产品设计流程 

图2展示了基于行为流建模的产品智能设计框架。其竖直轴体现了产品客观与主观设计的两个方向，行为通过功能、行为和结构的逐层映射，将产品设计一步步的细化。水平轴主要是将每个层的设计目标再次分解，形成功能元和行为元，产品设计的成熟度逐渐强化，用行为元的改变来解释行为流的运动，将行为流不断的细化分解，最后映射到结构层，产品设计逐渐成型。水平方向和竖直方向不是独立存在的，它们互相依存，以一种交互和并发的方式进行。 

上面介绍了行为流概念及其框架结构，本发明在已有的Petri网的基础上，引入时间序列的概念，将时间序列的各项属性和Petri网结合，给出行为流时间序列传递网(Behavior-Flow Time SeriesTransmission Nets)的定义，用来表达和处理行为流对产品的建模和实现。 

时间Petri网 

Petri网是由Carl Adam Petri首先提出，最早见于他的博士论文，是理论计算机科学，形式化语言和自动机模型的一个有机组合，由于petri网对于过程状态模型的形式化解释和易于理解和使用，已经成为了计算机科学中一个重要的建模工具。一般的petri网主要由库所(place)、变迁(Transition)、弧(are)和托肯(token)这几个元素组成，也是petri网中最基本的概念^[20]。通过库所、变迁和弧可以静态的来描述一个模型，通过托肯触发静态模型的运动，从而将整个系统的运行状态得以形式化的表示。petri网有一个显著的特征：系统的动态行为表现为资源(物质、能量和信息)的流动。正是这个特点，本发明使用petri网对于行为流的过程状态模型进行研究，将行为流的流动不再是看做简单的物质状态的无序改变。 

时间petri网最先是由C．Ramchandani最先提出的。运用这个petri网系统能够对异步并发系统的性能和时间序列上的运行进行了分析。变迁的发生是瞬间的，但是从时间上来分析，状态的改变和物质的流动是需要一定的时间的，部分能量也是有其时效性的。下面我们给出时间petri网的定义。 

定义时间Petri网 

定义为如下四元组： 

TPN＝(P，T，K，M₀) 

其中：M₀＝{0，1，2，…) 

(1)P＝{p₁，p₂，…p_n}是一个有限库所集，n≥0； 

(2)T＝{t₁，t₂，…t_n}是一个有限变迁集，m≥0； 

(3)K·P→N∪{∞}为P上的容量函数，N为正整数集合； 

(4)M₀是初始标志，表示时刻0的系统状态，也就是表示petri网的起始状态。行为流的时间序列表达 

对行为流进行研究，主要对象有时间和空间两个维度。由于行为表示的是物质状态的变化，因此行为流从本质上也是物质状态的变化序列。在产品实现功能的过程中，不仅涉及到 内部物质状态的改变，还涉及组件与环境之间的交互。时间序列是一种高维数据类型，它是由客观对象的某个物理量在不同时间点的采样值按照时间先后次序排列而组成的序列。由于状态是稳定且通过唯一的物理量表示的，因此，通过对不同时间点的采样，能够唯一的确定系统目前所处的状态。 

定义：行为流时间序列：是指在产品实现某个功能过程中，物质状态随时间变化而产生的一组行为变化序列。 

行为流时间序列可以数学表达为一条连续的函数曲线，曲线的任意一点的值由两个变量确定：时间状态T，环境状态v。 

行为流时间序列如下： 

$\left(\begin{array}{c}B=f(T,v)\\ T=(t_0,\infty )\\ v=V\left(t\right)\end{array}\right)$

其中B为行为流状态，s为结构状态变量、v为环境状态变量，t为连续时间闭区间[t₁，t₂]，t₁＜t₂，t₁为功能实现起始时间，t₂为结束时间。 

产品时间序列从宏观角度来分析是一组连续的状态改变，但是从微观角度上，具体到每一个时点序列，通过对于行为流的分解，可以逐一细化为一个个离散的时间状态，每个时间状态仅仅表示一个物质状态的改变。 

行为流时间序列传递网Behavior-Flow Time SeriesTransmission Nets(BTSTN)定义： 

BTSTN=(P,T,→,K,M₀,F,pre,post)称之为一个行为流网时间序列传递网，当且仅当： 

(1)P是一个有限库所集，包括连续状态库所P_C和离散状态库所P_D，其中P＝P_C∪P_D，    

(2)T是一个有限变迁集，在行为流网中，用变迁来对应行为流过程中的行为。包括连续行为T_C和离散行为T_D，其中T＝T_C∪T_D，    

(3)→∈∑P×T表示状态转移关系， 

(4)PTθIP×T→N₀是前关联函数矩阵； 

(5)    是后关联函数矩阵。 

(6)F·T→R是T上的时间函数，且对于任意的f∈T，当f∈T₁时，F(t)代表延迟时间；当t∈T₂时，F(t)＝0。 

时间序列传递网(BTSTN)基本结构 

复杂的行为流网都可以由一些简单的结构复合而成，将这几个基本结构定义为串行原件、并行原件、条件选择原件和循环原件。 

(a)时间串行原件 

如果一个变迁的实施直接导致另一个变迁可以被实施，则称此二变迁的发生关系是串行的。 

在图4(a)中变迁T2的可实施时刻即为T1实际实施的结束时刻，即串行(顺序)实施的时间 T[ts，te]＝T[ts1+ts2，te1+te2]。  

(b)时间并行原件 

如果一个变迁在实施的同时，另一个变迁也能同时被触发，则称此二变迁的发生关系是并行的。在图4(b)中显示了一个并行的原件，T1发生的时刻同时T2也能发生，并行顺序实施的时间    其中t0和t3不一定代表某个变迁实施，在这里是为了图形表示的方便，称t0和t3为辅助变迁。 

(c)条件选择原件 

在同一个时间只能有一个变迁能够实施，则称此二变迁的发生关系是选择触发的。图4(c)中表示了一个选择触发原件，它的实施的时间为T[ts，te]：T[min(ts1，ts2)，max(ts1，ts2)]。 

(d)循环原件 

循环原件表示一个过程是不断被触发的，设触发的次数为K次，图4(d)显示了一个循环原件，它的实施时间为T[ts，te]：T[kts1，kts2]。 

对于一个严格时间序列的系统来说，系统各个状态的时间是固定的，即一个状态的结束必然对应着另一个状态的开始，系统在一个宽平稳的形式下运行，这就说明了各个原件的触发也是连续的，是稳定的，这就对系统的时间序列提出了更加严格的要求，接下去将研究时间序列的各项属性，确保系统正常状态下的运行。 

通过构建时间行为流网，用组合的时间行为流网TBN模型来分析系统的有效性，并验证TBN模型与系统静态需求规范的一致性。从行为的角度对功能进行重构，有利于实现系统的优化，便于设计者对功能进行重用。行为是可以根据物质状态的改变程度进行划分的，而且 这一划分的过程是一个主观的、动态的过程，在产品成型设计过程中，摈弃主观性，进而对设计进行客观公正的分析。接下去针对行为流网的性质进行研究。 

定义原子行为：在行为流网中定义最小实现时间粒度T0为满足当前产品行为划分成不可分的基本行为的时间。 

由原子行为的定义可知，从物质状态的角度来看，原子行为每次只改变一个物质状态。有了原子行为的定义，我们可以得出时间序列的概念。 

定义：一个行为流网的标识是一个映射M·P→N。一个标识由向量(M(p₀)，M(p₁)，......，M(p_i))表示，第i个元素表示位置P_i中的Token数.如果    则称变迁t∈T在标识M下是使能的，用    表示。 

对于单一的行为流，现在本发明已经能够处理行为的触发、实施和变迁了，但是当涉及到行为流的并发，涉及到多个行为流的互相使能时，就需要更复杂的考虑多者之间的关系。 

发动机是汽车的心脏，是汽车各个部分中最核心的部分。它的主要任务是提供汽车运行的动力，发动机是一个能量转换机构，即将汽油柴油或天然气的热能，通过在密封汽缸内燃烧气体膨胀时，推动活塞作功，转变为机械能，这是发动机最基本原理。本发明将以四缸发动机为例，对它进行行为流网的时间序列建模。 

针对一个气缸的行为，根据定义，我们采用自顶向下的设计方法，在一定的时间内，将气缸的行为模拟为四个状态，进气、压缩、燃烧和排气。图分别显示了发动机气缸的四个状态。 

本发明并不关注与具体实现流程的物理结构的变化，而是注重于对物理实现结果的描述，从物质和同步状态角度来描述流程。下面分别对气缸的四个状态进行行为流网建模。对于汽油汽车发动机，其总功能F是“将汽油总功能转换成机械能”。实现总功能的四个行为流为 

表4-1四缸发动机工作的行为流描述

(a)进气行为流B1 

表4-2进气行为流状态库所 

表4-3进气行为流行为 

从时间序列的角度来分析，进气行为流行为t0消耗开始信号Token，时间是固定的为T₁₀，之后外部的物质进入内部，m表示在间隔时间内的输入量，v表示内部的体积在观察间隔时间内的增量，气缸内混合物不断的增加，相当于循环的一个行为被多次执行，这需要消耗的时间为KT₁₁。 

(b)压缩行为流 

表4-4压缩行为流状态库所 

表4-5压缩行为流行为 

压缩行为流和进气行为流类似，是一个循环的过程，开始信号Token，时间是固定的为T₂₀，然后是伴随着不断的压缩，气缸内的混合物的体积以及气缸的压强不断地变化，消耗的时间为KT₂₁，最后触发压缩的结束条件，从而该行为流结束。 

(c)燃烧行为流 

表4-6燃烧行为流状态库所 

表4-7燃烧行为流行为 

燃烧行为流的时间较为固定，即结束压缩行为流后，火花塞点火，气体混合物直接发生爆炸，对冲程做功，行为流即告结束。消耗的时间为T₃₀、T₃₁。 

(d)排气行为流 

表4-8排气行为流状态库所 

表4-9排气行为流行为 

排气进程的时间消耗也可以定量的计算得出，分别为排气门打开消耗T₄₀、活塞将剩余气体完全排出T₄₁和排气行为流结束排气门关闭的时间T₄₂。 

描述了一个气缸的各个状态，下面考虑四缸发动机协同工作时候的模型。四缸发动机在任 何一个时刻只有一个缸在燃烧，通过互相之间的协同工作来使发动机持续的运转。下图描述了一个典型的四缸发动机工作顺序。每个缸之间的工作状态都和其他三个缸存在控制依赖和传值依赖，这个就要求行为流之间进行通信，满足行为之间的互相协作。 

显示四缸发动机的工作顺序，设计是一个复杂的过程，在设计完成后，随着总功能的改变或者材料性能的演进，产品设计也要随之发生改变。研究表明，设计需求驱动设计过程深入发展，各种设计对象相互交织在一起，并最终达到设计需求。行为映射的概念设计框架与所表达的设计模型是一致的。未预见结果的发现将伴随行为映射的过程而发生，而映射过程的目的又在于设计自身。映射过程有助于新设计目标的发现，而新设计的目标又会引起设计发生改变。学者GENTNER提出的类比方法是依赖于设计目标与源行为结构之间的映射关系。传统类比方法中，设计目标与源结构在整个类比过程中保持不变。通过情景类比方法，设计目标与源内容的表示随着情景的变化而变化。类比原型设计过程的实例化是一个由上至下的设计过程。该过程中缺省值的设计变量是通过设计原型得到的。从而引起设计的改变。

我们给出行为流设计过程的数学表达 

δ(C，R，P)→1＝T_p

其中δ代表设计过程中的约束条件； 

C代表中心目标； 

R代表设计实例； 

P代表设计原型； 

T_p代表设计目标，根据设计原型和约束条件从而推导出设计目标； 

依据特殊的设计原型，目标设计将设计状态空间的界线划定为功能、行为和结构空间的耦合。 

$D_{\mathrm{tp}}=F_{\mathrm{tp}}\oplus B_{\mathrm{tp}}\oplus S_{\mathrm{tp}}$

D_tp表示产品设计状态空间集合； 

F_tp表示产品设计功能空间集合； 

B_tp表示产品设计行为空间集合； 

S_tp表示产品设计结构空间集合； 

可以看出，设计不仅仅是需要综合考虑功能、行为和结构，还需要综合设计实例和设计原型，在情境模式的约束下，才能得出较为优化的解，对于本发明来说，将运用行为流网络来完成设计，这是完成了设计的概念模型阶段，接下去还需要在设计功能和设计结构上进行探讨，综合情境的约束，进而完成智能设计的全部阶段。 

针对目前注重于功能研究的FBS模型，提出了将行为作为划分依据，在此基础上定义了行为和行为流的概念，通过对行为流的研究，确定原子行为，进而确定行为流的实施时间，在时间序列的基础上给出了四个最基本的行为流，讨论其时间推理和可达性。给出了一个精确的行为流网的定义，同时将行为流网运用到了发动机模型上，顺利的解决了发动机多气缸协同工作的问题。本发明重点研究了行为流的时间序列上的相关属性，但是对于多行为流的相互协作、通信等问题还需要进一步的深入研究。 

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。