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基于SysML的概念设计功能建模方法
资料介绍
为实现富含语义且语法严谨的功能表示,提出一种扩展于系统建模语言的功能建模方法。针对基于输入输出流状态信息的功能描述,预定义所需语义表示元模型,以消除基于简单功能动词和流名词的功能表示存在的语义模糊和二义性问题。该建模方法实现了各建模元素的抽象语法和具体语法,在规范功能语义的同时提供了可视化的模型表示符号。此外,为平衡语言的表述灵活性和语法规范性,将该建模方法实现为扩展于系统建模语言的功能建模语言配置包。基于设定的语法约束和文法规则,在IBM Rhapsody平台中实现了对建模正确性进行检测并简化设计者建模操作的插件工具。
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| 1577671087基于SysML的概念设计功能建模方法.pdf | 3M |
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第
卷
２４
计算机集成制造系统
第
卷第
期
１
２４
Ｖｏｌ．２４Ｎｏ．１
Ｊａｎ．２０１８
ꢀꢀꢀ
年
月
２０１８
ꢀꢀꢀ
１
Ｃｏｍ ｕｔｅｒＩｎｔｅｒａｔｅｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎ Ｓｓｔｅｍｓ
ꢀ ꢀ
ｐ ｇ ｇ ｙ
ꢀ
ꢀ
：
／
ＤＯＩ１０．１３１９６ ．ｃｉｍｓ．２０１８．０１．０１７
ｊ
基于
的概念设计功能建模方法
ＳｓＭＬ
ｙ
＋
，
琳 刘玉生
袁
ꢀ
（
， ）
国家重点实验室 浙江 杭州
３１００２７
ꢀ ꢀ
浙江大学
ＣＡＤ＆ＣＧ
： ， 。
要 为实现富含语义且语法严谨的功能表示 提出一种扩展于系统建模语言的功能建模方法 针对基于
摘
ꢀ
， ，
输入输出流状态信息的功能描述 预定义所需语义表示元模型 以消除基于简单功能动词和流名词的功能表示存
。 ，
在的语义模糊和二义性问题 该建模方法实现了各建模元素的抽象语法和具体语法 在规范功能语义的同时提供
。 ， ，
了可视化的模型表示符号 此外 为平衡语言的表述灵活性和语法规范性 将该建模方法实现为扩展于系统建模
。
语言的功能建模语言配置包 基于设定的语法约束和文法规则 在
，
ＩＢＭ Ｒｈａｓｏｄ
ꢀ
平台中实现了对建模正确性进
ｙ
ｐ
。
行检测并简化设计者建模操作的插件工具
： ； ； ；
关键词 功能建模 功能表示 概念设计 系统建模语言
： ；
ＴＰ３９９ ＴＢ４７
ꢀꢀꢀ
：
文献标识码
Ａ
中图分类号
ＳｓＭＬｂａｓｅｄｆｕｎｃｔｉｏｎｍｏｄｅｌｉｎ ｍｅｔｈｏｄｆｏｒｃｏｎｃｅｔｕａｌｄｅｓｉｎ
－ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ
ｐ
ｙ
ｇ
ꢀ
ｇ
＋
，
ＹＵＡＮ Ｌｉｎ ＬＩＵＹｕｓｈｅｎ
ｇ
ꢀ
ꢀ
（
，
，
，
）
ＳｔａｔｅＫｅ ＬａｂｏｆＣＡＤ＆ＣＧ Ｚｈｅｉａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔ Ｈａｎｚｈｏｕ３１００２７ Ｃｈｉｎａ
ꢀ ｙ ꢀ ꢀ
ｊ
ｇ
ꢀ
ｙ
ｇ
ꢀ
ꢀ
：
，
ꢀ
ＡｂｓｔｒａｃｔＴｏｓｕ ｏｒｔｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｒｅｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎｗｉｔｈｒｉｃｈｓｅｍａｎｔｉｃａｎｄｒｉｏｒｏｕｓｓｎｔａｘ ａｆｕｎｃｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌｉｎ ａ
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－
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（
）
ｒｏａｃｈｗａｓ ｒｏｏｓｅｄｂａｓｅｄｏｎｅｘｔｅｎｓｉｏｎｏｆＳｓｔｅｍ Ｍｏｄｅｌｌｉｎ Ｌａｎｕａｅ ＳｓＭＬ ．Ａｓｅｔｏｆｓｅｍａｎｔｉｃｍｅｔａｍｏｄｅｌｓ
ｇ ｇ
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ｐ
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ｇ
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ｙ
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－
／
，
ｗｅｒｅ ｒｅｄｅｆｉｎｅｄｔｏｓｕ ｏｒｔｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｄｅｓｃｒｉｔｉｏｎｗｉｔｈｄｅｔａｉｌｅｄｉｎｕｔｏｕｔｕｔｆｌｏｗｓｓｔａｔｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｔｈｕｓｔｈｅｉｍ
ꢀｐ ꢀ ꢀ ｐｐ ꢀ ｐ ꢀ ꢀ －
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ꢀ
ꢀ
ｒｅｃｉｓｅａｎｄａｍｂｉｕｉｔ ｗｅｒｅａｖｏｉｄｅｄ．Ｔｈｅａｂｓｔｒａｃｔａｎｄｃｏｎｃｒｅｔｅｓｎｔａｘｉｍｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆｔｈｉｓｍｏｄｅｌｉｎ ａ ｒｏａｃｈｆｏｒ
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ｐ
ꢀ
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ｇ
ｙ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
，
ｍａｌｉｚｅｄｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｒｅｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎａｎｄ ｒｏｖｉｄｅｄｖｉｓｕａｌｉｚｅｄｎｏｔａｔｉｏｎｓ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ ｗｉｔｈｔｈｅｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅ ｒｏ
ꢀ ｐ ꢀｐ ꢀꢀ ꢀｐ ｐ－
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
，
（
）
ｅｒｂａｌａｎｃｅｏｆｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔ ａｎｄｆｏｒｍａｌｉｓｍ ａＦｕｎｃｔｉｏｎ Ｍｏｄｅｌｉｎ Ｌａｎｕａｅ ＦＭＬ ｗａｓｄｅｆｉｎｅｄａｓａＳｓＭＬ ｒｏｆｉｌｅｆｏｒ
ｇ ｇ
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ꢀ
ｙ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ｇ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
，
ｆｕｎｃｔｉｏｎｒｅｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎｉｎａｆｏｒｍａｌｗａ ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｎｔａｘｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓａｎｄ ｒａｍｍａｒｒｕｌｅｓ ａ ｌｕｉｎｗａｓｄｅｖｅｌｏｅｄ
ꢀ ｐ ꢀ ꢀꢀ ꢀ ｙ ꢀ ꢀ ꢀｙ ꢀｇ
ｐ ｇ ꢀ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ｐ
，
ｉｎＩＢＭ Ｒｈａｓｏｄ ｗｈｉｃｈｎｏｔｏｎｌ ｅｎｓｕｒｅｔｈｅｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓｏｆｆｕｎｃｔｉｏｎｍｏｄｅｌ ｂｕｔａｌｓｏｆａｃｉｌｉｔａｔｅｄｅｓｉｎｅｒｓｔｏｃｏｎｓｔｒｕｃｔ
ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ
ꢀ
ꢀ
ｐ
ｙ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ｙ
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ꢀ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ｇ
ｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｍｏｄｅｌ．
ꢀ ꢀ ꢀ
：
；
； ；
Ｋｅｗｏｒｄｓｆｕｎｃｔｉｏｎｍｏｄｅｌｉｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎｒｅｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ ｃｏｎｃｅｔｕａｌｄｅｓｉｎ ｓｓｔｅｍ ｍｏｄｅｌｉｎ ｌａｎｕａｅ
ｇ ｙ
ꢀ
ｇ
ꢀ ｐ
ｐ
ꢀ
ꢀ
ｇ
ꢀ
ｇ ｇ
ｙ
。 ，
范的表示方法 对于原创设计 明确的功能需求描
引言
０
ꢀ
，
述能帮助设计者理解新产品的设计意图 使设计任
，
在概念设计中 为便于不同领域的设计人员和
。
务能够被系统化地分解为具体的子任务 而对于适
，
项目参与者共享知识 需要为设计信息提供统一规
，
应性设计 良好的语义表示方法将便于已有设计方
：
；
：
修订日期
２０１７０６１２ Ｒｅｃｅｉｖｅｄ２７Ｓｅ ．２０１６ａｃｃｅｔｅｄ１２Ｊｕｎｅ２０１７．
。
；
收稿日期
２０１６０９２７
－ －
－
－
ꢀ
ｐ
ｐ
ꢀ
ꢀ
：
基金项目 国家重点研发计划资助项目
（
）；
国家自然科学基金资助项目
（
，
，
）；
浙江省重大科技专
）；
浙江大学 国家重点实验
ＣＡＤ＆ＣＧ
２０１６ Ｙ Ｆ Ｄ０４００３０１
６１５７２４２７ ６１６７２２４７ ５１７０５３０７
（
，
）；
（
项资助项目
室开放课题资助项目
），
上海高校青年教师培养资助计划项目
２０１４Ｃ０１０５２２０１４Ｃ０１０１７
ＺＺＧＣＤ１５０８４
（
）。 ： ， （
Ａ１７２０ ＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｉｔｅｍｓＰｒｏｅｃｔｓｕ ｏｒｔｅｄｂ ｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＫｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏ Ｒ＆ＤＰｒｏｒａｍ Ｃｈｉｎａ Ｎｏ．
ꢀ ｙ
ꢀ
ｊ
ꢀ ｐｐ
ꢀｙ
ꢀ
ｇｙ
ꢀ
ꢀ ｇ
ꢀ
ꢀ
，
（
，
，
），
２０１６ Ｙ Ｆ Ｄ０４００３０１ ｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｃｈｉｎａ Ｎｏ ．６１５７２４２７ ６１６７２２４７ ５１７０５３０７ ｔｈｅＺｈｅｉａｎ Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ꢀ ｊ ｇ
ꢀ
，
（
，
），
ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏ ＭａｏｒＰｒｏｅｃｔ Ｃｈｉｎａ Ｎｏ．２０１４Ｃ０１０５２２０１４Ｃ０１０１７ ｔｈｅＦｏｕｎｄｉｎ ＰｒｏｒａｍｆｏｒｔｈｅＣｕｌｔｉｖａｔｉｏｎｏｆＹｏｕｎ
ꢀ ꢀ ꢀ ｇ ꢀ ｇ
ｇｙ ｊ ꢀ ｊ ｇ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ
ꢀ
ꢀ
，
（
），
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔ ＴｅａｃｈｅｒｓｏｆＳｈａｎｈａｉ Ｃｈｉｎａ Ｎｏ．ＺＺＧＣＤ１５０８４ ａｎｄｔｈｅＯ ｅｎＰｒｏｅｃｔＰｒｏｒａｍｏｆｔｈｅＳｔａｔｅＫｅ ＬａｂｏｆＣＡＤ＆ＣＧｏｆ
ｙ ꢀ ｊ ꢀ ꢀ
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ꢀ
ꢀ
， （ ）
Ｚｈｅｉａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔ Ｃｈｉｎａ Ｎｏ．Ａ１７２０ ．
ｙ
ｊ
ｇ
ꢀ
：
琳 等 基于
１６５
第
期
袁
的概念设计功能建模方法
ＳｓＭＬ
ｙ
１
ꢀ
［］
６
，
在系统设计方法 中 功能被认为是用于对能
。
案的重用
、 ，
量流 物料流和信号流进行转换的黑盒 其效应语义
产品的设计意图是存在于设计者脑海中的抽象
， ，
概念 作为对产品需求的主观描述 难以被直接转化
。
通过输入流到输出流的变化得以体现 基于该功能
［］
１
。
， ，
定义 已有各种图形化功能建模方法 例如美国国家
为基于客观物理属性的产品功能定义
功能表示
，
的目标是提供规范化的建模方法 帮助设计者将设
标准与技术研究院提出的 使用方框表示功
ＩＤＥＦ０
。
计意图转换为相对客观的功能描述 虽然国内外在
， 、 、
能边界 箭头表示不同的数据 能量 信号在功能间
，
功能表示领域进行了多年研究 但功能的模型表示
。
的流动 虽然这是一种符合系统设计思想的可视化
：
①
，
功能建模方法 但该方法适用的前提是设计者已经
仍存在如下挑战
如何为功能表示制定一个实际
；
②
，
深入全面地理解设计任务所需功能 并了解功能间
可用的建模语言
如何对功能建模方法建立具体
， ，
的语法规则 使其既满足语义规范表达的需要 又保
，
流通信的全部细节 因此能够直接建立功能结构模
；
③
，
型 这类似于对已知产品进行逆向工程的功能建模
证模型的正确性和完整性
如何实现功能模型所
。
。 ，
分析 而对于全新产品的概念设计 这种简单的表
包含的语义对计算机和人类用户的可读性
这项研究致力于建立一个基于流语义的规范化
示无法帮助设计者从已知功能需求和设计约束信息
。 ，
功能建模方法 在语义表达方面 这种建模方法不
，
中挖掘出更多的细节 因此无法支持基于输入输出
，
再局限于传统的只强调功能动词的表示方法 而将
。
流物理状态变化的功能推理
； ，
流的物理语义纳入建模内容中 同时 该功能表示因
，
为了加 强 功 能 表 示 的 语 义 表 达 能 力 研 究 者
，
为包括了输入输出流的具体语义 所以为设计人员
尝试对 描 述 功 能 的 动 词 和 描 述 流 的 名 词 进 行 细
［ ］
７
，
分 并 建 立 标 准 词 汇 表
。
Ｋｅｕｎｅｋｅ
将抽象的设计意图转化成客观的功能描述提供了解
定 义 了
Ｔｏ
－
。 ， ，
决方案 另外 关于功能的本质语义 即功能执行的
， ，
和
Ｍａｋｅ ＴｏＭａｉｎｔａｉｎ ＴｏＰｒｅｖｅｎｔ ＴｏＣｏｎｔｒｏｌ４
种 功
ꢀ
［ ］
８
，
效果也被纳入表示范围 用于对功能动词所表达的
；
Ｓｚｋｍａｎ
ｙ
能类 型
等
使 用
种 功 能 和 种
１００
１３０
［］
２
。 ，
作用效果进行定义 因此 根据
，
；
流 作为 工 程 问 题 中 功 能 表 示 的 通 用 词 汇
Ｓｔｏｎｅ
ＦｕｎｃｔｉｏｎａｌＢａｓｉｓ
ꢀ
［ ］
９
，
功能动词库中每一个基本功能的原始定义 使用详
细的语义约束和规范语法对基本功能动词进行重定
，
个 产 品 的 功 能 提 出
１００
等
研究并 比 较 了 超 过
（
ＦＢｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｂａｓｉｓ
ꢀ
）
；
的功能表示词汇表
Ｈｉｒｔｚ
名为
［ ］
２
，
义 每一个被重定义的基本功能都拥有表示其对流
，
对已有 的 两 个 功 能 表 示 词 汇 库 进 行 合 并 提
等
，
产生特定效应的功能效应语义字段 该字段揭示了
。
版本 虽然
出最终被广泛接受的
为基于系
ＦＢ
ＦＢ
。
，
统设计方 法 的 功 能 表 示 提 供 了 标 准 词 汇 库 并 对
功能行为的执行效果
（
ｙ
，
，
每个词的 语 义 进 行 了 说 明 但 纯 文 本 的 词 汇 在 功
系统 建 模 语 言
Ｓｓｔｅｍ Ｍｏｄｅｌｌｉｎ Ｅａｎｕａｅ
ꢀ
ｇ ｇ ｇ
ꢀ
）
是面向系统工程领域对统一建模语言
ＳｓＭＬ
ｙ
（
Ｕ
－
，
能表达上缺乏内在语义关联 难以支持 语义 推理
；
，
ｎｉｆｉｅｄＭｏｄｅｌｉｎ Ｌａｎｕａｅ ＵＭＬ
ｇ ｇ
） ，
的扩充 是 系 统
，
其次 因为 缺 乏 功 能 的 数 据 结 构 或 形 式 化 表 示 模
ꢀ
ｇ
ꢀ
，
工程的建模语言 它为信息表示提供了一致而规范
， ，
型 无法规范设计者对这些词语的使用 所以 无法
， 。 ，
的语法 并具有很强的可扩展性 因此 可通过配置
。
保证模型的正确性
，
随着信息工程的发展 研究者开始探寻计算机
文件对 进行扩展来实现功能语义的规范建
ＳｓＭＬ
ｙ
［
］
。
１０１１
－
。
，
模表示
辅助技术在概念设计领域的应用
因此 除纯
理论的功能概念研究外 建立能被机器识别的具有
规范语法的功能模型成为与实际工业应用密切相关
，
相关工作介绍
１
ꢀ
，
。
的工作 为支持功能推理及与其他领域模型的知识
学界对概念设计中的基本概念存在不同解释
［
］
３５
，
－
，
共享 本体论被用于表示功能语义和加强知识间的
并提出多种 功能 表示 方法
这些 方 法 描 述 功 能
［
］
１２１４
。
［ ］
１５
－
，
时 通常将功能所对应的行为和原理知识进行直接
语义关联
等
将语义网标准运用于功
Ｙａｎ
ｇ
，
匹配 因此能够对功能分解和原理解搜索的推理提
，
能语义表达的实现 并基于本体规则为功能表示提
［］
５
。
，
“
”
， ，
供语法约束 基于语义网的推理能力 该方法支持模
供支持 例如
等
将 功能 表示为产品功
Ｕｍｅｄａ
能目的和实现功能的行为间的映射关联 但因概念
间的直接匹配方式缺乏对其内在逻辑的语义解释而
，
。
型的正 确 性 验 证 和 可 重 用 知 识 的 快 速 检 索
Ｓｅｎ
［ ］
１６
，
的基础上 提出对功能动词赋予规范语
等
在
ＦＢ
。
。
法的协定 该协定既使用详细语法约束保证功能建
导致设计固化
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