基于行为流的产品设计复杂性演化理论研究

韩浩 郝泳涛

摘要：该文结合行为流和复杂性演化理论，从过程和结构的角度分析产品设计过程中功能、行为和结构的关系，阐释了三者在动力学演化过程中的转换耦合，结合对复杂产品时空序列的划分以及对行为流主路径属性的抽取，得到设计过程的演化分析模型。

关键词：行为流；复杂产品；时空序列；演化模型

中图分类号：TB472文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)07-1654-02

Research on the Theory of Product Design Complexity Evolution Based on Behavior Flow

HAN Hao, HAO Yong-tao

(CAD Research Center of Tongji University, Shanghai 201804, China)

Abstract: The paper combined theory of behavior flow and complexity evolution, analysed relationship between function, behavior and structure in product design from the view of process and structure, explained their transformation and coupling in dynamic evolution, combined with the divide of spatial and temporal sequence of complex product and the abstract of main path properties on behavior flow to get the evolution analysis model in design process.

Key words: behavior flow; complex products; spatial and temporal sequence; evolution model

行为流理论是一门新兴的理论，主要用于描述机械产品概念设计过程中行为的变化过程，近年来被越来越多的学者用于产品设计过程的研究中；复杂产品被机械工业设计领域用来描述结构庞大复杂的零件，其设计和开发越来越成为目前的工业界和创新设计方面的重点研究内容。作为从不同角度研究产品设计过程的理论，行为流只是描述行为流动，并没有解释引发流动的结构基础；基于复杂产品的复杂性演化理论则从产品的内部构造出发，用子部件的属性和彼此之间的联系来描述产品进化推理过程。把这两种理论结合起来，能够弥补各自理论的上述不足，从结构的角度解释产品设计过程。

1行为流模型可以有效地描述产品设计过程

当前的产品建模方法主要聚焦于产品的功能建模。以产品功能为核心来看待整个模型，一般的方法都是采用自上而下的功能分解来建立模型的层次，引导功能建模。而当前建立的功能分解方法，都是在尽最大的可能对已有的功能划分的知识或者经验的总结利用，来指导功能分解[1]。这些知识的总结都是来自部分领域人员大脑思考的结果，从出发点上就具有片面性；而人的知识、经验，其实也就是寻找功能设计优化解的经过部分验证的估值函数，并不保证是最优解，也不保证找到当前相对更好的一个选择。

而行为流的引进则能很好地解决这一问题。一方面，产品行为是客观的，和功能不同的是，可以有无歧义的通用表达，具有通用性，也适合于计算机描述；另一方面，通过直接对行为的研究，可以定义一个产品的状态，特别是起始状态和目标状态。通过这两个状态以及之间的影响状态的行为，即可直接对已有产品建模，并且可以根据这两个状态，找到合适的行为变化序列来实现状态的转变，从而实现新产品的设计，建立新产品的行为流模型；三是行为可以直接对应到结构，可以得到产品的实现，产品的行为流模型具有实用性，覆盖智能设计的整个生命周期[2-3]。

2產品设计的复杂性动力学机理

产品设计的复杂性动力学演化是基于复杂产品的动态设计过程中提出的问题，首先就要研究复杂产品的建模问题，复杂产品的复杂性主要体现在两个方面:一方面，复杂产品的零件数目非常庞大，另一方面，基于庞大的零件数目存在一个更加庞大的零件关系网络，这个网络实现了复杂产品的功能分解网络、行为分解网络、结构分解网络，复杂产品的功能行为结构是这个复杂网络的三个视角[5]，所以复杂产品的复杂关系网络具有多维、多态性，首先就要研究如何描述这个复杂关系网络。

产品设计的复杂性演化是一个动力学过程，假设复杂产品开始于一个各子系统间无关联的初态，随着时间的推移，在这个产品中子部件与子部件、子部件与外界环境间产生了交流，从而形成了复杂关系网络。产品从生态学角度是由许多子产品群落组成的，而子产品群落又是由许多子产品种群组成。这许许多多种子产品群落相互之间、与外界环境之间产生了错综复杂的交流，从而推动了整个产品设计的复杂性演化过程，最终通过这种相互作用达到一个呈现高度关联的复杂状态。

3基于行为流的产品设计复杂性动力学演化机理及功能行为结构的转换耦合

复杂产品的特点表现为多维度多层次嵌套，包含了复杂的因果关系、嵌套关系和依赖关系，并且这种复杂关系的更改会引起整个系统的变化，所以用现有的建模理论已经很难清楚地表述出复杂产品的功能、行为和结构之间的耦合关系。在引进行为流建模理论后，模型的核心建立在行为流系统上，通过行为的间断性变化映射出结构和功能的对应变化。演化过程本身就是从简单到复杂，从局部到整体，这种特点决定了可以借助行为流的结构特点来描述产品设计的复杂系统演化过程[4]。

3.1在产品设计复杂性动力学演化过程中，行为流是演化过程发生改变的载体。

由于动力学演化的过程是功能、行为和结构的同步变化过程，而功能-行为和行为-结构的耦合关系都是以行为流为基础的，所以演化过程实际上就是行为流流动线路的非线性变形、延伸和波浪形更改的过程。复杂系统的任何子部件发生数量或属性的变化时，都会导致行为流对应分支的变化，从而引起整个行为流结构发生变化，即行为流集中反映了复杂产品的动力学演化过程，是动力学演化过程的载体。

3.2行为流在复杂系统中的受限生成表现形式及受限流动过程。

函数关系中自变量发生变化时因变量会对应地发生变化，同样地，在复杂系统中由于产品本身的结构和关系的复杂性，在某一子结构发生变化时，通过行为流与复杂网络之间对应的耦合关系导致了复杂网络发生变化[7]。这种变化并非可以任意蔓延的，而是受到诸多因素的约束和限制，被称为受限流动过程。在此过程中，通过智能度识别，找到可适用于自主学习的智能主体，分析时空序列的映射关系来确定其受限条件，在此条件下划定受限边界值，使行为流在受限范围内流动。结合行为与功能、结构的映射关系，得到复杂系统演化过程。

由于无论多么庞大的复杂系统，其演化过程通过递归的分解算法都可以分解为一个个子部件的独立运动，针对这一特点使用受限流动过程来描述复杂系统的演化,它能够反映在一定环境约束条件下,主体以流动的形式发展和进化的一般规律。在基于行为流的复杂系统演化过程中，约束条件就是与行为对应的结构和功能的时间空间序列的有序性。把行为流划分成时间空间序列后，对应的结构和功能以聚集成一个个序列的形式存在，其位置关系和顺序会受到映射关系的限制，复杂系统的演化过程自然也就是受限的流动过程。

3.3基于时空序列的复杂产品设计过程演化模型

通过把产品演化的过程分解为以时间和空间为间隔点的子步骤，得到产品建模的时间序列和空间序列。在时间序列中通过时间关系把功能、行为和结构分解为与行为流方向垂直的层次，在同一时间序列层次中的子功能、子行为和子结构之间相互影响，并且不同时间序列之间的子功能、子行为和子结构同样可能会有联系，这样可以把这些子部件与其前驱结构和后继结构隔离开来，单独分析子部件中的行为流模型。

在空间序列中，复杂系统由于其属性由于受到功能、行为和结构的限制，所以传统的二维网状结构已经无法描述出其特点。当复杂系统的一个子系统发生变化时，会引起整个复杂网络的更改，包括时间上和空间上变化的传递和引起复杂度的不可预见性更改，其表现形式可能会由平面结构蔓延到空间结构，在绝对坐标轴的XY平面、YZ平面和ZX平面上同步引起更改。而行为流流动的线路可以无限延伸，主线路上能够向空间延伸出多个分支，这使得基于行为流的理论能够描述的模型摆脱了传统的平面网状模型的限制，其覆盖范围大大增加。

3.4建立基于行为流主路径线索抽取和复杂网络属性树的自组织分析模型

复杂系统创成式生成的过程及结果都不可预测，这给复杂网络的属性分析和模型应用带来了很大的难度。在基于行为流的复杂网络中，以行为流的流动主路径为线索，抽取出复杂网络的属性树，这样无需人工分析和处理就能够概括性地提炼出复杂系统属性变化的方向和趋势，为复杂产品的设计和维护带来了极大的效益[8]。

对于复杂产品的高流量复杂网络性与现有的信息不对称的设计方法不符这一难题，在基于行为流的复杂产品建模中，利用提取出的行为流属性树，通过选取属性树上根节点和有限层次的子节点的属性，避免了子系统之间属性和关系的互相作用和互相影响带来的复杂性，从而能够利用现有的信息交换相对较少、形式相对单一的设计模型进行处理。而属性树中子树与其他流动路径的相交也加强了各部件之间的交流，最大限度地利用了已有的设计结构，使得信息共享充分化。

对于从行为流属性树中抽取属性的方法，可以利用数据结构中树的遍历算法，在需要得到全部属性时采用深度遍历或广度遍历提取出所有属性，而在需要得到固定层次的属性时，每次不能遍历到终端节点，需要在算法中设定限定值，只提取属性树中深度在限定值以内的重要属性。分析这些重要属性变化的趋势，以此推理出产品设计过程中复杂系统的变化趋势，以提取出的属性为单位建立自组织分析模型。

4结论

通过把行为流理论用于分析复杂产品的设计过程，得到演化过程改变的载体和表现形式，分析此过程中的约束条件从而得到受限生成模型，从时空序列的角度分析设计过程的演化机理并得到演化模型，结合结构特点分析复杂网络中行为流的内部构造并创新地提出用提取属性的方法得到复杂网络中的关键信息，促成复杂产品的设计。文中提到的方法和建立的模型，可以有效地应用于复杂产品设计过程中，大幅度提高设计的效率，使产品设计趋于合理。

参考文献:

[1] Kumara S R T,Kamarthi S V.Function-to-Structure Transformation in Conceptual Design: an Associative Memory-Based Paradigm[J].

Journal of Intelligent Manufacturing, 1991(2):281-292.

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[3] Yu-xin Wang,Qing-jiu Wang,Xiao-hui Mao.Indirect Behavior-Structure Matching Approach[C].CCMMS,2008.

[4] Tao Tang,Yong-tao Hao.The Research of Engine Modeling Based on the Petri Model of Behavior Flow [C].International Conference on Recent Trends in Materials and Mechanical Engineering,2011.

[5]王克明,熊光楞.复杂产品的协调设计与仿真[J].计算机集成制造系统, 2003(12):15-21.

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[8]周涛,柏文洁,汪秉宏,等.复杂网络研究概述[J].PHYSICS,2005,34.