一种基于复杂网络的复杂产品生态网络建模方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于复杂网络的复杂产品生态网络建模方法，包括以下步骤：1)采用体素构造法建立复杂产品的复杂网络；2)以产品个体为对象，结合产品个体的环境信息，建立产品元；3)以实现相同功能为分类标准，将一个或多个相同结构特性的产品个体构成一产品种群，结合产品种群的环境信息，建立产品簇；4)以实现特定功能为分类标准，将一个或多个产品种群构成一产品群落，结合产品群落的环境信息，建立产品体；5)基于复杂网络建立复杂产品的产品生态网络模型。与现有技术相比，本发明简化传统产品模型设计的复杂度，建立产品生态网络模型来反应产品元在物质、能量、信息的交换和传递，达到智能设计与进化的目的。
【专利说明】
一种基于复杂网络的复杂产品生态网络建模方法
技术领域
[0001] 本发明涉及计算机应用、工程设计开发和产品智能设计领域，尤其是涉及一种基 于复杂网络的复杂产品生态网络建模方法。
【背景技术】
[0002] 在生态学中，生态系统指的是生物及其所在环境两者相互作用所产生的一个相对 稳定的系统。生态系统可通过内部自组织过程适应外界环境变化的复杂系统，具有自组织、 自适应的特点。种群是生态系统中重要的组成部分，对于任何一个种群，每一个个体的生存 都依赖于外界环境，种群中的每一个个体都在与其他个体(同一种群的，或者其他种群的）， 以及无机环境发生着能量，物质的交换或者传递。
[0003] 生态系统中种群及种群间的能量传递是以食物链的方式进行的。所谓食物链是指 生态系统内不同物种之间在营养关系中形成的一环套一环的链条式关系，物质和能量沿着 食物链，一级一级地从低级物种转移到高级物种，沿着食物链种群个体的数量逐级减少，种 群密度逐级降低，繁殖速率逐级减慢。这样以生物种群的个体数量比较形成了一个底部宽 上部窄的生态金字塔。
[0004] 复杂产品（例如:发动机）的进化设计涉及多个零部件，是一个复杂的多变量优化 问题，如果采用传统的遗传算法，会出现编码冗长，收敛速度慢，优化效果差的问题。通过对 比生态系统，可发现复杂产品和生态系统在功能、结构上具有相似性:它们都由多种个体组 成，具有复杂的内部组织结构，系统呈现较高的复杂度;在一定的情况下，系统具有稳定的 组织结构，处于能量平衡的状态;系统通过个体之间的物质交换、能量流动和信息传递完成 一定的功能。
[0005] 在于复杂产品进化设计上，与生态系统的进化过程也具有相似性:种群个体的变 化包括出生、死亡、迀入、迀出、进化等周期，产品个体同时具有产生、进化、淘汰消失的生命 周期；生物种群与环境、生物种群间的食物链、能量流动关系同样存在于复杂产品中。产品 与环境进行物质、能量和信息交换从而适应环境。
[0006] 在复杂产品中，通过对产品零件的抽取及分解，由体素构造法可定义所有的产品 零件，而整个复杂产品是由各个零件组成的复杂网络。复杂网络是由节点和边组成的二维 图。从图论上看，网络G=(V，E)是指由一个点集V(G)和一个边集E(G)组成的一个图，并且E (G)中的每条边有V(G)中的一对点(u，v)与之对应;从统计物理上看，网络是一个包含了大 量个体以及个体之间相互作用的系统，是把某种现象或某种关系抽象为个体以及个体之间 相互作用而形成的用来描述这种现象或关系的图。
[0007] 复杂网络的复杂性来源于三个方面：（1)节点复杂性。即仅由节点之间的非线性相 互作用导致的复杂的系统行为，如分岔和混沌等；（2)结构复杂性。组成复杂系统的元素之 间的结构关系既非规则，也非随机，而是介于两者之间，而且这种结构关系还可以随时间变 化，并影响系统整体所显现的功能行为，是系统复杂性的决定性因素之一；（3)各种复杂性 因素的相互影响。
[0008] 复杂网络G=(V，E)是指由一个点集V(G)和一个边集E(G)组成的一个图，并且E(G) 中的每条边有V(G)中的一对点(u，v)与之对应，G=(V，E)中，V是顶点的有穷非空集合，E是V 中顶点偶对(称为边）的有穷集。通常，也将图G的顶点集和边集分别记为V(G)和E(G) 4(G) 可以是空集。若E(G)为空，则图G只有顶点而没有边。对于一个有9个零件的产品，其网络图 表示图1所示，图1中A-J为顶点集V，R()为边集E。
[0009] 因此，如何将生态系统的概念融入复杂网络以及复杂产品进化的设计中，实现基 于复杂产品生态网络的产品设计，具有重要意义。
【发明内容】
[0010] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于复杂网络 的复杂产品生态网络建模方法，简化传统产品模型设计的复杂度，建立产品生态网络模型 来反应产品元在物质、能量、信息的交换和传递，达到智能设计与进化的目的。
[0011] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0012 ] -种基于复杂网络的复杂产品生态网络建模方法包括以下步骤：
[0013] 1)采用体素构造(CSG:Constructive Solid Geometry)法建立复杂产品的复杂网 络，所述复杂网络包括产品个体的顶点集和产品个体之间的边集；
[0014] 2)以产品个体为对象，结合产品个体的环境信息，建立产品元；
[0015] 3)以实现相同功能为分类标准，将一个或多个相同结构特性的产品个体构成一产 品种群，结合产品种群的环境信息，建立产品簇；
[0016] 4)以实现特定功能为分类标准，将一个或多个产品种群构成一产品群落，结合产 品群落的环境信息，建立产品体；
[0017] 5)基于复杂网络建立复杂产品的产品生态网络模型，所述产品生态网络模型包括 广品体、广品兀和广品兀之间的边集。
[0018] 所述产品个体之间的边集与产品元之间的边集相等，产品个体之间的边集表示产 品个体之间的装配关系。
[0019] 所述产品元的表达形式如下：
[0020] PU={pUi,Sunit,Funit,PEunit}
[0021 ]其中，pui表示产品个体，Simit表示产品个体的结构特性信息，Fimit表示产品个体的 功能信息，PEunit表示产品个体所处的环境信息。
[0022] 所述产品簇的表达形式如下：
[0023] PG={pgi,NPg,Fg, Ugpu,PEg}
[0024]其中，pgi表示产品种群，NPgN表示产品种群中产品个体的数量，Fg表示N PgN个产品 个体组成的产品种群所具有的功能，UgPU表示产品种群中的产品个体集合，PEg表示产品种 群所处的环境信息。
[0025]所述产品体的表达形式如下：
[0026] PC= {pci,Npc,Fc, Ucpg, Ucpu,PEc}
[0027] 其中，pci表示产品群落，NP。表示产品群落中产品个体和产品种群的集合个数，F。 表示产品群落的具体功能，U cPg表示组成产品群落的产品种群的集合，UcPu表示的是组成 产品群落的产品个体的集合，PE。表示产品群落所处的环境信息。
[0028] 所述环境信息的表达形式如下：
[0029] PE= {pei,tpe,Ne, Uein, Ueout}
[0030] 其中，pei表示产品环境针对的对象，tpe表示与产品环境对应的时刻，Ne表示环境 中组成因子的数目，U ein表示环境的内部影响因子，Ue〇ut表示环境的外部影响因子。
[0031] 所述环境的内部影响因子和环境的外部影响因子均包括组成因子、组成因子的影 响权重和组成因子与对象间的影响关系的集合。
[0032] 所述步骤5)之后还包括步骤6)，具体为:根据产品设计需求得到与复杂产品对应 的改变后的环境信息，基于产品生态网络模型依次得到与产品体、产品簇、产品元对应的改 变后的环境信息，根据产品体、产品簇、产品元对应的改变后的环境信息进行产品体、产品 簇、产品元的设计。
[0033] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0034] 1)为了降低传统产品模型设计的复杂度，本发明在复杂产品建模中引入生态系统 理论，应用复杂网络模型创建产品生态网络模型，来反应产品元在物质、能量、信息的交换 和传递，达到智能设计与进化的目的。
[0035] 2)本发明将复杂产品划分为包含环境信息的产品元、产品簇和产品体，环境信息 为周围一切非产品元素的总和，包括直接或间接影响产品群体生存的各种因素，产品设计 时，通过产品体的环境信息可知产品簇的改变的环境信息，根据产品簇的改变的环境信息 可知产品元的改变的环境信息，进而可以对最小单元产品元进行有针对性的设计，避免人 为设计的主观因素，实现系统化、模块化的设计。
[0036] 3)本发明将环境因子划分为内部影响因子和外部影响因子，对应直接或间接影响 产品群体生存的各种因素，可实现两路的产品设计方案:改变外部影响因子的产品设计方 案和改变内部影响因子的产品设计方案，适用于不同设计需求，实用性强，应用范围广。
【附图说明】
[0037]图1为复杂网不意图；
[0038] 图2为本发明方法的流程图；
[0039] 图3为实施例中活塞、连杆、曲轴之间连接关系的分解图；
[0040] 图4为实施例中采用本发明方法获得的产品生态网络模型示意图。
【具体实施方式】
[0041] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案 为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于 下述的实施例。
[0042] 如图2所示，一种基于复杂网络的复杂产品生态网络建模方法包括以下步骤：
[0043] 1)在复杂产品中，每个复杂产品通过抽取盒形体分解都可以得出三围产品的三围 体素，体素代表了复杂产品中不可分割的零件。在产品生态网络中，采用体素构造法，定义 产品原子，建立复杂产品的复杂网络，复杂网络包括产品个体的顶点集和产品个体之间的 边集，产品个体之间的边集与产品元之间的边集相等，产品个体之间的边集表示产品个体 之间的装配关系，为建立智能化产品能量流动的产品生态网络模型做准备。
[0044] 2)产品个体是组成产品的最小独立单位，包括个体的结构、功能、食物链的个体信 息，因此，以产品个体为对象，结合产品个体的环境信息，建立产品元(Product Unit，PU)， 产品元即"产品零件"：组成产品不可分解和拆卸的独立单位。
[0045] 产品元的表达形式如下：
[0046] PU={pUi,Sunit,Funit,PEunit}
[0047]其中，pui表示产品个体，Simit表示产品个体的结构特性等信息，Fimit表示产品个体 的功能信息，PEunit表示产品个体所处的环境信息，包括个体的食物链信息、能量流动信息 等。如一个螺丝可作为一个产品个体。
[0048] 3)产品种群中产品个体的功能、结构特性须完全相同，产品种群是组成产品的基 本单位，包括个体数量、个体簇、种群环境等信息，因此，以实现相同功能为分类标准，将一 个或多个相同结构特性的产品个体构成一产品种群，结合产品种群的环境信息，建立产品 簇(Product Group，PG)，产品簇即"产品零件簇"：产品或产品部件中具有相同功能结构等 特性的产品个体的集合。
[0049] 产品簇的表达形式如下：
[0050] PG={pgi,NPg,Fg, Ugpu,PEg}
[0051 ]其中，pgi表示产品种群，NPgN表示产品种群中产品个体的数量，Fg表示NPgN个产品 个体组成的产品种群所具有的功能，UgPU表示产品种群中的产品个体集合，PEg表示产品种 群所处的环境信息。如产品或部件中，所有实现同一功能的螺丝可组成一个产品种群。 [0052] 4)产品群落可以为一个产品个体，可以是一个或多个产品种群集合，所有的产品 群落原子组成实现特定功能，因此，以实现特定功能（用途)为分类标准，将一个或多个产品 种群构成一产品群落，结合产品群落的环境信息，建立产品体(Product Community，PC)，产 品体即"产品部件"：产品系统中实现某个某功能的产品零件的集合。
[0053] 产品体的表达形式如下：
[0054] PC= {pci,Npc,Fc, Ucpg, Ucpu,PEc}
[0055] 其中，pci表示产品群落，Npc表示产品群落中产品个体和产品种群的集合个数，Fc 表示产品群落的具体功能，UcPg表示组成产品群落的产品种群的集合，UcPu表示的是组成 产品群落的产品个体的集合，PE。表示产品群落所处的环境信息。如键盘有多个按键个体组 成，其特定功能为了实现计算机的输入动作，键盘可作为计算机产品的产品群落。
[0056] 产品环境指某一特定产品个体或产品种群周围一切影响因素的总和，包括直接或 间接影响产品群体生存的各种因素。对产品生态网络而言，产品环境指周围一切非产品元 素的总和，包括直接或间接影响产品群体生存的各种因素。环境为产品元素提供物质及能 量，即产品的设计更改又环境来决定。
[0057] 环境针对于某特定对象，随时间变化而变化。因此，上述中PEunit、PEg、PEc对应的环 境信息基本表达形式如下：
[0058] PE= {pei,tpe,Ne, Uein, Ue〇ut}
[0059] 其中，pei表示产品环境针对的对象，tpe5表示与产品环境对应的时刻，队表示环境 中组成因子的数目，Uein表示环境的内部影响因子，Ue〇ut表示环境的外部影响因子。影响 因子指与对象直接相关的个体、种群、群落或其他环境物质因素，则环境的内部影响因子和 环境的外部影响因子均包括组成因子、组成因子的影响权重和组成因子与对象间的影响关 系的集合，组成因子对对象影响越大，组成因子的影响权重越大。
[0060] 5)基于复杂网络建立复杂产品的产品生态网络模型，产品生态网络模型包括产品 体、产品元和产品元之间的边集，可知生态系统包括产品因素及其环境因素，产品因素包括 产品个体、产品种群、产品群落、产品系统等，环境因素包括环境、产品食物链等，所有因素 生成了产品生态网络，即在一定的空间范围内，不同产品组成元素之间通过物质、能量、信 息的交换和传递相互影响、相互选择，对外实现一定的功能的完整功能单位称为产品生态 网络，对应的产品生态网络模型本质上是由产品元通过物质、能量、信息的交换和传递组成 的复杂网络。
[0061] 6)根据产品设计需求得到与复杂产品对应的改变后的环境信息，基于产品生态网 络模型依次得到与产品体、产品簇、产品元对应的改变后的环境信息，根据产品体、产品簇、 产品元对应的改变后的环境信息进行产品体、产品簇、产品元的设计。
[0062]综上，本发明在复杂产品建模中引入生态系统理论，应用复杂网络模型创建产品 生态网络模型，由产品生态网络模型呈现动态传播链式网络，实现智能化产品设计。
[0063] 产品生态网络是由产品体和环境组成，其中产品体是广义上产品簇的集合，产品 簇是产品元即产品零件的集合，不同的产品元之间通过物质信息的交换和传递，相互影响、 相互关联。如汽车发动机是一个完整的产品生态网络，以发动机中活塞-连杆-曲轴等三个 结构举例，构建起发动机生态网络，其中，活塞_连杆-曲轴三个结构之间的连接关系如图3 所示。
[0064] 采用本发明方法建立产品生态网络，在产品体:连杆中，产品簇包括连杆、连杆螺 栓、连杆轴瓦。每一个连杆螺栓或连杆轴瓦都是一个产品体，整个发动机生态网络的组成如 表1所示。
[0065] 表1发动机生态网络组成结构表
[0067]根据表1的信息，可以得到活塞-连杆-曲轴构成的发动机生态系统，如图4所示。图 4中，11表示活塞环，12表示活塞，13表示活塞销，21表示连杆，22和25表示连杆轴瓦，23表示 连杆盖，24和26表示连杆螺栓，31和33表示连杆轴颈，32和35表示平衡块，34表示曲柄。当需 要改变发动机生态系统中驱动力时，根据产品生态网络可以设计活塞的体积大小等。
【主权项】
1. 一种基于复杂网络的复杂产品生态网络建模方法，其特征在于，包括以下步骤： 1) 采用体素构造法建立复杂产品的复杂网络，所述复杂网络包括产品个体的顶点集和 产品个体之间的边集； 2) 以产品个体为对象，结合产品个体的环境信息，建立产品元； 3) 以实现相同功能为分类标准，将一个或多个相同结构特性的产品个体构成一产品种 群，结合产品种群的环境信息，建立产品簇； 4) 以实现特定功能为分类标准，将一个或多个产品种群构成一产品群落，结合产品群 落的环境信息，建立产品体； 5) 基于复杂网络建立复杂产品的产品生态网络模型，所述产品生态网络模型包括产品 体、产品元和产品元之间的边集。2. 根据权利要求1所述的一种基于复杂网络的复杂产品生态网络建模方法，其特征在 于，所述产品个体之间的边集与产品元之间的边集相等，产品个体之间的边集表示产品个 体之间的装配关系。3. 根据权利要求1所述的一种基于复杂网络的复杂产品生态网络建模方法，其特征在 于，所述产品元的表达形式如下： PU - { pili , Sunit ,Funit, PEunit} 其中，PUi表示产品个体，Simit表示产品个体的结构特性信息，Fimit表示产品个体的功能 信息，PEunit表示产品个体所处的环境信息。4. 根据权利要求1所述的一种基于复杂网络的复杂产品生态网络建模方法，其特征在 于，所述产品簇的表达形式如下： PG= {pgi,NPg,Fg, Ugpu,PEg} 其中，Pgi表示产品种群，NpgN表示产品种群中产品个体的数量，Fg表示NpgN个产品个体 组成的产品种群所具有的功能，Ugpu表示产品种群中的产品个体集合，PEg表示产品种群所 处的环境信息。5. 根据权利要求1所述的一种基于复杂网络的复杂产品生态网络建模方法，其特征在 于，所述产品体的表达形式如下： PC= {pci,Npc,Fc, Ucpg, Ucpu,PEc} 其中，pci表示产品群落，NP。表示产品群落中产品个体和产品种群的集合个数，F。表示产 品群落的具体功能，Ucpg表示组成产品群落的产品种群的集合，UcPu表示的是组成产品群 落的产品个体的集合，PE。表示产品群落所处的环境信息。6. 根据权利要求1所述的一种基于复杂网络的复杂产品生态网络建模方法，其特征在 于，所述环境信息的表达形式如下： PE= {pei,tpe,Ne, Uein, Ueout} 其中，Pei表示产品环境针对的对象，tpe3表示与产品环境对应的时刻，Ne3表示环境中组成 因子的数目，Udn表示环境的内部影响因子，Ue30Ut表示环境的外部影响因子。7. 根据权利要求6所述的一种基于复杂网络的复杂产品生态网络建模方法，其特征在 于，所述环境的内部影响因子和环境的外部影响因子均包括组成因子、组成因子的影响权 重和组成因子与对象间的影响关系的集合。8. 根据权利要求1所述的一种基于复杂网络的复杂产品生态网络建模方法，其特征在 于，所述步骤5)之后还包括步骤6)，具体为:根据产品设计需求得到与复杂产品对应的改变 后的环境信息，基于产品生态网络模型依次得到与产品体、产品簇、产品元对应的改变后的 环境信息，根据产品体、产品簇、产品元对应的改变后的环境信息进行产品体、产品簇、产品 元的设计。
【文档编号】G06F17/50GK105893658SQ201610182456
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年3月28日
【发明人】郝泳涛, 张伟
【申请人】同济大学