题目：基于功能的复杂产品系统多领域行为建模与求解

随着科学水平和生产技术的不断提高，新产品类型层出不穷，产品结构和功能日益复杂多样，多领域耦合已经成为其显著的特点，如航空航天器、汽车、高速列车、重型机械、机器人等现代高科技产品，通常都是集机械、电子、液压、控制等多个学科领域子系统于一体的复杂系统。多领域交叉融合已成为现代产品设计的发展趋势。而在设计的初级阶段，设计者所关心的往往是产品的功能和行为特征，以及行为特征所表现出来产品性能特征。因此，研究复杂产品系统在多领域作用下的功能行为特征，以及性能优化是非常有必要的。本文旨在基于多领域建模方法、设计优化等领域的研究成果，以功能为基础，结合正向设计的思想，针对复杂产品系统设计的初始阶段，探讨以下几个方面的问题：①基于功能的多领域与混合行为融合建模方法；②基于功能组件的多领域系统设计方案生成方法；③面向性能的多领域模型的求解方法。基于模型转换和设计综合等技术及方法，开发面向不同用户的多领域建模与优化计算机辅助工具。首先，对复杂产品系统的功能行为模型进行了介绍。在分析现有功能表达的基础上，分别从原子功能和复合功能两个方面采用面向对象的思想提出了功能的形式化表达。为支持功能的模型化表达，在归纳功能模型中各种流的性质以及连接机制的基础上，采用基于模型的系统工程的思想，对SysML活动图进行扩展以实现功能建模。在功能模型的基础上分析了行为的表达形式，阐述了基于功能模型的行为建模方法。其次，针对复杂产品系统多领域和混合行为共存的问题，对混合自动机模型进行扩展提出了多端口混合行为模型，结合多领域耦合理论，研究了基于功能的多领域与混合行为层次化融合模型，并基于SysML及其扩展，实现了该模型的可视化构建。定义了基于三元图文法的自顶向下模型转换规则，实现了SysML模型向Modelica文本模型的自顶向下转换。再次，为了帮助设计者快速形成设计方案，提出了多领域模型知识标注以及自顶向下启发式建模方法。在研究功能组件特征模型，以及基于能量观点的功能语义分类的基础上，提出了功能组件知识的形式化表达，并基于物元模型提出功能组件知识的具体表达以实现知识的存储、表示和处理。基于能量的观点和功能组件的知识，采用图形变换理论，实现自顶向下启发式多领域模型的构建。最后，提出了一个面向性能的复杂产品系统多领域模型求解框架。将基于Modelica语言的多领域模型与以设计可行性分析和设计优化为代表的计算设计方法相融合。通过XML文件将约束、优化目标以及不确定信息等计算设计相关元素融入Modelica模型的变量与方程之中，将它作为计算设计过程中的标准交换文件，提出了集成Modelica模型与计算设计方法的协同求解框架 并研究了Modelica模型向XML格式自动转换的机制。为了在参数不确定情况下，对Modelica模型的性能进行优化，构建了基于增量序列采样的混合代理模型，并据此提出了Modelica模型的多目标稳健性优化模型。在以上研究的基础上，初步开发了一个包括SysML模型建立与转换、多领域模型构建以及模型求解的多领域集成建模与求解平台。介绍了平台中各部分的主要功能及应用。