基于Petri网的汽车发动机行为模块设计
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摘要：分析了计算机辅助设计(CAD)的前沿方向-产品智能设计的背景与现状，在功能-行为-结构架构下，提出了行为模块概念，揭示了行为在产品建模过程中的作用和行为层在功能与结构中的作用，最后给出了混合Petri网的汽车发动机行为模块设计模型，为产品智能设计提出了一种新的思路。
关键词：智能设计；行为模块；混合Petri网；汽车发动机
中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)11-2686-02
The Design of Engine Behavior Module Based Petri Net
CHEN Bi-huan, HAO Yong-tao
(College of Electronic and Information Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China)
Abstract: By analyzing the background of the future of CADCintelligent design, suggest a product modeling base on behavior module on the framework of Function-Behavior-Structure, proposing the concept of behavior module, Indicate the effect of behavior in product modeling process and the behavior layer between function and structure. at last, Giving an engine model's hybrid Petri net base on behavior module, Suggest a new way in intelligent design of CAD.
Key words: intelligent design; behavior module; hybrid Petri nets; engine
计算机辅助设计（CAD）的趋势是向产品智能化设计演变，现代制造业的知识密集型和信息密集型的特点决定了对CAD的智能化要求越来越高，CAD中的智能化集中体现在产品概念设计过程中，目前产品智能设计是以比较成熟的概念设计理论为基础，对概念设计理论中问题引入智能算法进行分析并予以解决。常见的概念设计基础理论有Qian.L和Gere.JS提出FBS模型[1]，Suh NP提出的公理化设计理论[2]等。产品概念设计目前大多以产品功能为设计的初始点，产品的概念设计主要是以产品功能设计这一角度为基础[3]，如张广军，唐敦兵等人建立改进型功能树[4]，另外还有很多学者引入遗传算法在产品概念设计[5]。
产品概念设计目前存在的问题是，从功能结构划分的存在主观因素影响，从这种角度产生的产品设计无法达到通用性，造成产品物理结构与实现功能的偏差，而且很难满足智能设计的要求。而产品的行为是无歧义性的客观描述而不是功能的主观性表达，符合计算机的无二义性原则，在通用性满足的条件下适合计算机的进一步编码与训练，符合智能设计的要求。
本文通过对产品行为的分析和研究，在FBS模型框架下，提出基于一种新的产品设计方法，在行为模块模型中提出行为与物质状态定义，采取对产品行为进行模块设计，并通过petri网实现行为模块之间信息传递，通过产品的行为模块映射产品功能以及结构的最终完成，从而解决了传统的计算机辅助设计中产品模型设计存在的问题，达到智能设计的目的。
1 行为模块的产品智能设计框架
行为模块的产品智能设计框架如图1所示，垂直方向表示了产品设计角度的客观与主观的两个方向，在行为模块的产品设计过程中，向下方向是从产品的行为-功能的客观到主观的映射实现，向上方向是产品行为-结构映射后产品行为的物质实现。水平方向表示了行为模块的产品的建模过程，从不可再分的行为元也就是最小不可划分行为，迭代汇聚成行为模块，行为模块与同层次物质状态进行结合，通过中间状态的物质转换，信息传递以及能量流动，行为模块程度不断加强，与此同时垂直方向的功能层从初始的功能元形成子功能，各种子功能再最后形成总功能、结构层从对应的产品结构单元库从抽象到具体不断细化，最后形成产品具体构造。水平方向和垂直方向是交互的，并发进行的。
2 行为模块设计的混合Petri网模型
本文基于文献[6-8]定义一种基于产品行为模块的混合Petri网，用于描述和分析产品在实现功能的行为模块过程中的离散行为事件与连续行为事件。该模型引入了具有连续行为特性的托肯，并用动态方程来描述系统中连续变量变化的过程。
定义：行为模块设计的混合Petri网（BAHPN）
我们定义BAHPN=(P,T,A,R,M0)：
1）P=(p1,p2,…pn)是有限状态库所集合，在行为模块产品模型中，用这些库所代表行为行为模块状态，包括连续状态库所PC和离散状态库所PD，其中P=PC∪PD,PC∩PD=?I；
2）T={t1,t2,…tm}是有限的行为变迁，在行为模块产品模型中的代表行为模块过程中的行为变迁，包括连续行为TC和离散行为TD，其中T=TC∪TD,TC∩TD=?I；
3）A是状态库所与行为之间的有向弧集合，A∈(P×T) ∪(T×P)，用来表达行为方向；
4）R是与连续状态库所对应的关联方程集合，连续状态库所p对应的关联方程记作R(p)，当p∈PC被标记时，?坌γ∈M(p)，连续状态γ的属性按照R(p)变化，γ用来描述行为过程中的状态的连续因子的变化；
5）M0表示时间刻度0的系统状态，也是行为模块的初始状态；
BAHPN可以对同一个建模框架中的连续和离散的部分进行建模，连续的部分包括连续状态库所和连续的行为，用来描述连续变量的动态变化过程，离散的部分包括离散状态库所和离散行为，用来描述动态变化过程中的离散事件。因此变迁的触发规则不仅要考虑连续部分和离散部分的互相交互，而且要考虑到各自的连续性变化和离散标志。
汽车发动机引擎是典型的混合系统，系统既有发动机输出的转速功率等状态参数的连续变化，又有某一时刻的阀门开关这样的离散事件，因此对发动机的行为模块建模，建立一个基于行模块的产品模型，既要考虑到连续状态的改变，也要考虑离散事件的发生。
根据定义，在行为模块模型中，我们可以定义发动机运行过程中某一的物质状态，能量状态以及信息状态这种中间状态为行为模块建模过程中的一个行为模块状态。我们采用自顶向下设计的方法，将发动机产品模型中的行为模块分为进气，压缩，燃烧，排气四个主要部分，发动机的物理结构和行为模块流程如图2所示。
我们注重于对物理实现结果的描述并从物理状态和行为状态的角度来描述过程，因此我们定义进气冲程为行为模块J，定义压缩冲程为行为模块Y，定义燃烧冲程为行为模块S，定义燃烧冲程为行为模块P。
在整个行为模块产品模型中，关注系统状态的转变，行为模块J中的行为t01消耗开始信号Token，?塄m为内部状态在转换中的物质增量，?塄p表示结束进气冲程前的压强变化量，?塄v表示气缸内部可燃气体的体积变量，变迁t02为混合燃气持续进气的触发，当满足t03变迁触发条件时，进气冲程结束，产生压缩冲程开始信号。
行为模块Y中的行为t03消耗开始信号Token，?塄t为气缸内部温度增量，?塄p表示压缩冲程中的压强变化量，?塄v表示气缸内部可燃气体的体积变量，变迁t04为混合燃气继续压缩的触发，vl为气缸体积的临界值，当满足t05变迁条件时，压缩冲程结束，产生燃烧冲程开始信号。
行为模块S中的行为t06消耗开始信号Token，?塄v表示气缸内部可燃气体的体积变量，vl为燃烧冲程结束时的气体体积，p为气体燃烧爆炸产生能量，当满足t07变迁条件时，燃烧冲程结束，产生排气冲程开始信号。
行为模块P中的行为t08消耗开始信号Token，?塄p为气缸内部压强变化量?塄v表示气缸内部可燃气体的体积变化量，变迁t09为混合燃气继续排气的触发，vp为气缸排气后最小体积，当满足t010变迁条件时，排气冲程结束，产生进气冲程开始信号，进行下一个循环。
汽车发动机行为模块设计的混合Petri网模型见图3：
图3 汽车发动机行为模块设计的混合Petri网
4 结论
针对计算机辅助设计（CAD）前沿方向的智能设计中注重于功能而存在的一些缺陷，本文侧重于产品的行为的研究，从行为模
（下转第2693页）
（上接第2687页）
块进行产品设计，可以描述已有的产品模型，本文引入了混合 Petri网来对产品行为模块设计建模，提供了一种精确的模型的数学表示，最后通过实现一个发动机的实例来阐述本文提出的方法。本文提出的这种从行为为研究角度的智能设计方法，为今后计算机辅助设计（CAD）智能化的发展提供了一些理论参考方向。
参考文献：
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