复杂产品系统的广义功能建模与仿真研究

During the designing of a Complex Product-System (abbreviated as CPS), designers from various disciplines often employ functional models to represent and to communicate with others about design concepts, rather than profound domain models, which could result in the difficulty in communications and even misunderstandings. Therefore, how to develop functional models for a CPS then becomes a significant development activity. However, existing conceptual design methods often rely on simple functional structure graphs to describe the functionalities of a product, which has two drawbacks when used for the functional modeling of a CPS. On one hand, it cannot explicitly represent the functionalities of a system that can have multiple states for achieve different functions. On the other hand, it cannot clearly represent complex interactions and logic controls that a CPS often involves. Therefore, the proposed research will be devoted to the development of a structured approach for achieving the functional modeling and simulation of a CPS. It primarily involves the following contents, i.e., the conceptual foundation of extended functional modeling, the fundamental approach for functional modeling and simulation of a general system, and an advanced approach for the functional modeling and simulation of a CPS. Based on the above research, this research will develop a prototype software to support functional modeling and simulation, which allows a computer to employ structured functional models to achieve functional simulation of a CPS, so that it is easier for designers from different disciplines to understand how the CPS functions, leading to more smooth communications and fewer requirement errors.

在复杂产品系统（Complex Product-System，简称CPS）的设计过程中，工程师经常需要通过功能模型来表达设计概念，以方便跨学科的工程师沟通设计需求，减少对需求的误解。因此，CPS的功能建模就成了一项非常重要的需求开发活动。然而，过去的概念设计方法大多用简单的功能结构图来表示产品的功能，这种方法应用于CPS功能建模时存在两大问题。一方面，它难以清晰地对具有动态结构的多功能系统进行建模；另一方面，它难以对CPS所涉及的动态交互与逻辑控制进行建模。因此，本项目拟开展CPS的广义功能建模与仿真研究，主要包括如下内容：广义功能建模的概念体系研究，功能建模与仿真的基本方法研究，CPS的功能建模与仿真方法研究。本项目拟开发功能建模与仿真的软件原型，使得计算机可通过对结构化功能模型的推理来实现功能仿真，以帮助工程师更好地理解、沟通CPS的功能机制，减少由于沟通障碍导致的需求错误。

在复杂产品系统（Complex Product-System，简称CPS）的设计过程中，工程师经常需要通过功能建模来分解设计问题、表达设计概念，以方便工程师沟通设计需求，减少对需求的误解。因此，CPS的功能建模就成为一项非常重要的需求开发活动。过去的设计方法大多用简单的功能结构图来表示产品的功能，这种方法应用于CPS功能建模时存在两大问题。一方面，它难以清晰地对具有动态结构的多功能系统进行建模；另一方面，它难以对CPS所涉及的动态交互与逻辑控制进行建模。因此，本项目开展了CPS的广义功能建模与仿真研究，主要包括如下内容：广义功能设计的基本理论研究，一般系统广义功能建模与仿真的基本方法研究，CPS的广义功能建模与仿真方法研究，以及广义功能建模与仿真的应用验证研究。在此基础上，本项目开发了CPS广义功能建模与仿真的软件原型，使得计算机可通过对结构化功能模型的推理来实现功能仿真，并以飞行控制系统的广义功能建模和仿真为例进行了应用验证。初步研究结果表明：本项目提出的广义功能建模与仿真方法可以帮助工程师更好地理解、沟通CPS的功能机制，减少由于沟通障碍导致的需求错误，从而提升复杂CPS的设计质量。