一种基于Petri网的产品质量特性关联分析方法

一种基于petri网的产品质量特性关联分析方法
技术领域
1.本发明涉及产品设计技术领域，具体为一种基于petri网的产品质量特性关联分析方法。


背景技术：

2.由于质量特性之间复杂的耦合关系，错误的设计变更可能会造成产品出现严重的设计质量问题。仅凭设计者的历史经验和知识对质量特性的变更风险加以评估存在着主观性高且预测结果不准确的缺陷。正是由于这些质量特性不符合当前设计需求，从而以级联失效或故障传播的形式引发一系列的变更传播风险。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种基于petri网的产品质量特性关联分析方法，以解决上述背景技术中提出由于这些质量特性不符合当前设计需求，从而以级联失效或故障传播的形式引发一系列的变更传播风险的问题。
4.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于petri网的产品质量特性关联分析方法，包括如下步骤：
5.步骤一：建立一种扩展的petri网模型：epn＝{p,t,i,o,v,x,u,e,α,f,γ,c}；
6.步骤二：界定扩展petri网中的动、静托肯及范围，具体包括：
7.在petri网运算过程中，根据托肯记录的信息，实时获得产品设计演变中的变更传播强度i，以便于寻找影响较小的最优变更传播路径，为了便于分析托肯运动过程中的状态，将托肯分为两种状态分别为动托肯和静托肯；
8.步骤三：计算引入的发起库所真实度；
9.步骤四：计算各库所间的变迁置信度。
10.优选的，所述步骤一中，其中：
11.a、p＝{p1,p2,...,pn}是库所的有限集合，其中n为库所个数(n》0)，代表与产品的不同质量特性相关的设计事件的集合；
12.b、t＝{t1,t2,...,tm}是变迁的集合，其中m为变迁个数(m》0)，代表产品不同质量特性之间变更传播规则的集合；
13.c、i:p
×
t
→
{0,1}表示一个有向弧从库所指向变迁的n
×
m输入矩阵，如果 i(pi,ti)＝1，表示存在从pi到ti的定向弧连接；如果i(pi,ti)＝0，则表示不存在从pi到ti的定向弧连接，i＝1,2,...,n和j＝1,2,...,m；
14.d、o:t
×
p
→
{0,1}表示一个有向弧从变迁指向库所的n
×
m输出矩阵，如果 o(pi,ti)＝1，表示存在从ti到pi的定向弧连接；如果o(pi,ti)＝0，则表示不存在从ti到pi的定向弧连接，i＝1,2,...,n和j＝1,2,...,m；
15.e、v＝{v1,v2,...,vn}是库所当前状态的集合，代表不同质量特性的当前值；
16.f、x＝{x1,x2,...,xn}代表不同质量特性的取值范围的集合；
17.g、u＝{u1,u2,...,un}代表每个质量特性的单位变更量的集合；
18.h、e＝{e1,e2,...en}是每个质量特性的变更代价基数，为无标度标量，可用0～10之间的数值进行标度；
19.i、α定义为库所的真实度向量，α＝(α1,α2,...,αn)
t
，代表不同质量特性变更的真实度；αi∈[0,1]表示pi的真实度，i＝1,2,...,n，初始真实度向量由θ0表示即发起库所的变更代价；
[0020]
j、f:t
→
{0,1}是一个托肯向量即f＝(f1,f2,...,fm)
t
，fj是库所间变迁规则的置信度，j＝1,2,...,m，代表着产品质量特性沿着当前路径传播的概率；
[0021]
k、γ:p
→
{0,1}是一个托肯向量，γ＝(γ1,γ2,...,γn)
t
；
[0022]
l、λ是变迁阈值，如果变迁规则的置信度不满足转换阈值，就会导致质量特性变更传播失败。
[0023]
优选的，在步骤二中，动静托肯的定义如下：
[0024]
tokend＝{l1,l2,
…
,lv；cp1,cp2,
…
,cpv,i}为动托肯的数据结构；
[0025]
其中，li为变迁索引号，i＝1,2,
…
,v，v为托肯所经过的变迁数，l1,l2,
…
,lv这个序列表示通过的变迁顺序；cpi代表托肯通过变迁li时变更可能性；i为托肯经过l1,l2,
…
,lv以上序列后到达当前库所的变更强度；
[0026]
一直置于库所中的托肯称为静托肯，表示为tokens；
[0027]
静托肯和动托肯的数据结构相同；
[0028]
静托肯的作用就是为了存储、更新动托肯的信息；
[0029]
为了更具体地分析变迁实施的整个流程，定义如下规则：
[0030]
s101、每个库所中只能存在一个静托肯；
[0031]
s102、当变迁触发时，输入库所中去除一个动托肯，输出库所增加一个动托肯；
[0032]
s103、当输入库所中的总托肯数m(p)≥2，该变迁才能满足激发条件；
[0033]
s104、同一个变迁可以被多次触发。
[0034]
优选的，在步骤三中，引入的发起库所真实度的计算过程如下：
[0035]
定义发起库所的真实度表示为变更源特性的变更代价即：α(pn)＝ec(n)；
[0036]
在进行变更分析时，有必要获得关于变更特性的变更范围、变更代价等基本信息；
[0037]
发起库所pi的变更代价ec(i)的表达式为：
[0038][0039]
上式中表示变更范围的上限；vi表示库所pi的当前取值；ei表示库所 pi的变更代价基数，取值范围在1～10之间；ui表示库所pi的变更基数，为不同量纲的质量特性变更提供可比性。
[0040]
优选的，在步骤四中，各库所间的变迁置信度计算过程具体包括：
[0041]
引入灰色综合关联分析法(grey comprehensive relational analysis, gcra)；
[0042]
基于gcra的置信度评估步骤如下：
[0043]
s201、准备序列参数：
[0044]
给定质量特性vi的序列值h
′i和质量特性的序列值h
′j(j＝1,2,
…
,j)，每个质量特性会有k种取值，j 1个特性序列可由矩阵表示：
[0045]h′
＝[h
′i,h
′1,h
′2,
…h′j]k×
(j 1)
[0046]
其中j是指同一组数据中质量特性的个数，k是指同一个质量特性的不同组的数据个数；
[0047]
除了序列值h
′i之外的序列值可表示为：
[0048]h′j＝[h
′j(1),h
′j(2),
…
,h
′j(k)]
t
；
[0049]
s202、规范化：
[0050]
由于复杂产品的质量单位可能处于不同的维度，为了保证分析结果的准确性，因此对数据进行归一化处理很有必要；
[0051]
同一个质量特性数据不同组数据分别除以第一组的数据，计算公式如下：
[0052][0053]
s203、计算质量特性pi和pj的相似性δij：
[0054]
基于上式计算质量特性的相似因子δij，计算公式如下：
[0055][0056]
在上式中如果质量特性序列h
′i与其关联序列h
′j在区间[k,k 1]内正相关，λ＝1，否则，λ＝-1；
[0057]
s204、计算质量特性pi和pj的相近性s
ij
：
[0058][0059]fi
(x)和fj(x)分别为质量特性序列hi和其关联序列hj在区间[k,k 1]内的函数；
[0060]
s205、计算质量特性pi和pj综合关联度f
ij
(即pi向pj转化的变迁置信度)：
[0061][0062]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过产品质量特性扩展 petri网模型构建方法建立离合器的质量特性扩展petri网模型，根据发起库所真实度和变迁置信度的量化方法计算出各初始库所的真实度即初始变更代价以及各变迁置信度值，最终建立的质量特性扩展petri网模型可以来直观形象地描述产品质量特性的关联结构，从而提高企业和设计人员对复杂产品设计过程中的变更响应能力，为决策者提供可行最佳的变更方案，增强企业的抗风险能力。
附图说明
[0063]
图1为本发明离合器三维爆炸图；
[0064]
图2为本发明离合器质量特性的扩展petri网模型图；
[0065]
图3为本发明扩展petri网运行过程示意图；
[0066]
图4为本发明离合器质量特性设计库所映射；
[0067]
图5为本发明离合器的主要质量特性不同组合配置参数示意图；
[0068]
图6为本发明离合器基础质量特性数据示意图；
[0069]
图7为本发明基础质量特性的初始变更影响示意图；
[0070]
图8为本发明所有基础质量特性的初始变更代价计算结果的示意图；
[0071]
图9为本发明每个变迁处的置信度示意图。
具体实施方式
[0072]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0073]
请参阅图1-8，本发明提供一种技术方案：一种基于petri网的产品质量特性关联分析方法，包括如下步骤：
[0074]
步骤一：建立一种扩展的petri网模型：epn＝{p,t,i,o,v,x,u,e,α,f,γ,c}；
[0075]
步骤二：界定扩展petri网中的动、静托肯及范围，具体包括：
[0076]
在petri网运算过程中，根据托肯记录的信息，实时获得产品设计演变中的变更传播强度i，以便于寻找影响较小的最优变更传播路径，为了便于分析托肯运动过程中的状态，将托肯分为两种状态分别为动托肯和静托肯；
[0077]
步骤三：计算引入的发起库所真实度；
[0078]
步骤四：计算各库所间的变迁置信度。
[0079]
所述步骤一中，其中：
[0080]
c、p＝{p1,p2,...,pn}是库所的有限集合，其中n为库所个数(n》0)，代表与产品的不同质量特性相关的设计事件的集合；
[0081]
d、t＝{t1,t2,...,tm}是变迁的集合，其中m为变迁个数(m》0)，代表产品不同质量特性之间变更传播规则的集合；
[0082]
c、i:p
×
t
→
{0,1}表示一个有向弧从库所指向变迁的n
×
m输入矩阵，如果 i(pi,ti)＝1，表示存在从pi到ti的定向弧连接；如果i(pi,ti)＝0，则表示不存在从pi到ti的定向弧连接，i＝1,2,...,n和j＝1,2,...,m；
[0083]
d、o:t
×
p
→
{0,1}表示一个有向弧从变迁指向库所的n
×
m输出矩阵，如果 o(pi,ti)＝1，表示存在从ti到pi的定向弧连接；如果o(pi,ti)＝0，则表示不存在从ti到pi的定向弧连接，i＝1,2,...,n和j＝1,2,...,m；
[0084]
e、v＝{v1,v2,...,vn}是库所当前状态的集合，代表不同质量特性的当前值；
[0085]
f、x＝{x1,x2,...,xn}代表不同质量特性的取值范围的集合；
[0086]
g、u＝{u1,u2,...,un}代表每个质量特性的单位变更量的集合；
[0087]
h、e＝{e1,e2,...en}是每个质量特性的变更代价基数，为无标度标量，可用0～10之间的数值进行标度；
[0088]
i、α定义为库所的真实度向量，α＝(α1,α2,...,αn)
t
，代表不同质量特性变更的真实度；αi∈[0,1]表示pi的真实度，i＝1,2,...,n，初始真实度向量由θ0表示即发起库所的变更代价；
[0089]
j、f:t
→
{0,1}是一个托肯向量即f＝(f1,f2,...,fm)
t
，fj是库所间变迁规则的置信度，j＝1,2,...,m，代表着产品质量特性沿着当前路径传播的概率；
[0090]
k、γ:p
→
{0,1}是一个托肯向量，γ＝(γ1,γ2,...,γn)
t
；
[0091]
l、λ是变迁阈值，如果变迁规则的置信度不满足转换阈值，就会导致质量特性变更传播失败。
[0092]
在步骤二中，动静托肯的定义如下：
[0093]
tokend＝{l1,l2,...,lv；cp1,cp2,...,cpv,i}为动托肯的数据结构；
[0094]
其中，li为变迁索引号，i＝1,2,
…
,v，v为托肯所经过的变迁数，l1,l2,
…
,lv这个序列表示通过的变迁顺序；cpi代表托肯通过变迁li时变更可能性；i为托肯经过l1,l2,
…
,lv以上序列后到达当前库所的变更强度；
[0095]
一直置于库所中的托肯称为静托肯，表示为tokens；
[0096]
静托肯和动托肯的数据结构相同；
[0097]
静托肯的作用就是为了存储、更新动托肯的信息；
[0098]
为了更具体地分析变迁实施的整个流程，定义如下规则：
[0099]
s101、每个库所中只能存在一个静托肯；
[0100]
s102、当变迁触发时，输入库所中去除一个动托肯，输出库所增加一个动托肯；
[0101]
s103、当输入库所中的总托肯数m(p)≥2，该变迁才能满足激发条件；
[0102]
s104、同一个变迁可以被多次触发。
[0103]
在步骤三中，引入的发起库所真实度的计算过程如下：
[0104]
定义发起库所的真实度表示为变更源特性的变更代价即：α(pn)＝ec(n)；
[0105]
在进行变更分析时，有必要获得关于变更特性的变更范围、变更代价等基本信息；
[0106]
发起库所pi的变更代价ec(i)的表达式为：
[0107][0108]
上式中表示变更范围的上限；vi表示库所pi的当前取值；ei表示库所 pi的变更代价基数，取值范围在1～10之间；ui表示库所pi的变更基数，为不同量纲的质量特性变更提供可比性。
[0109]
在步骤四中，各库所间的变迁置信度计算过程具体包括：
[0110]
引入灰色综合关联分析法(grey comprehensive relational analysis, gcra)；
[0111]
基于gcra的置信度评估步骤如下：
[0112]
s201、准备序列参数：
[0113]
给定质量特性vi的序列值h
′i和质量特性的序列值h
′j(j＝1,2,
…
,j)，每个质量特性会有k种取值，j 1个特性序列可由矩阵表示：
[0114]h′
＝[h
′i,h
′1,h
′2,
…h′j]k×
(j 1)
[0115]
其中j是指同一组数据中质量特性的个数，k是指同一个质量特性的不同组的数据个数；
[0116]
除了序列值h
′i之外的序列值可表示为：
[0117]h′j＝[h
′j(1),h
′j(2),
…
,h
′j(k)]
t
；
[0118]
s202、规范化：
[0119]
由于复杂产品的质量单位可能处于不同的维度，为了保证分析结果的准确性，因此对数据进行归一化处理很有必要；
[0120]
同一个质量特性数据不同组数据分别除以第一组的数据，计算公式如下：
[0121][0122]
s203、计算质量特性pi和pj的相似性δij：
[0123]
基于上式计算质量特性的相似因子δij，计算公式如下：
[0124][0125]
在上式中如果质量特性序列h
′i与其关联序列h
′j在区间[k,k 1]内正相关，λ＝1，否则，λ＝-1；
[0126]
s204、计算质量特性pi和pj的相近性s
ij
：
[0127][0128]fi
(x)和fj(x)分别为质量特性序列hi和其关联序列hj在区间[k,k 1]内的函数；
[0129]
s205、计算质量特性pi和pj综合关联度f
ij
(即pi向pj转化的变迁置信度)：
[0130][0131]
图2为本发明根据离合器质量特性所构建的扩展petri网模型。
[0132]
离合器质量特性向下逐层分解得到离合器的25个过渡质量特性及基础质量特性，其质量特性在扩展petri网模型的库所映射，其中pn(1≤n≤26)，如下表：
[0133]
图4为离合器质量特性设计库所映射；
[0134]
将所有质量特性分为三类：
[0135]
顶层的目标质量特性、过渡质量特性以及底层的基础质量特性。
[0136]
所有的质量特性在扩展petri网模型中均由库所表示；
[0137]
质量特性之间的关联关系由变迁表示；
[0138]
定向弧均由底层质量特性指向上层质量特性同时考虑多个质量特性之间出现耦合、多个质量特性合并影响一个质量特性以及一个质量特性影响多个质量特性的情况。
[0139]
确定所有质量特性之间的关联关系；
[0140]
通过简化规则将所有的横向约束关联关系转化为纵向隶属关联关系，以防止
petri网模型中出现环形结构。
[0141]
将质量特性、关联关系与扩展petri网模型中的库所、变迁一一对应得到图2所示的离合器主要组件包含的质量特性扩展petri网模型。
[0142]
扩展petri网模型中由26个库所、28个变迁规则以及一系列定向弧构成。
[0143]
为了后续变更传播风险评估以及变更传播路径搜索的讨论，还需要质量特性的具体参数信息。
[0144]
根据已知一组的离合器组件质量参数的配置以及每个质量特性的允许取值范围推断出另外两套离合器组件质量特性参数的配置。
[0145]
由此，以得到的3组质量特性参数配置进行分析。
[0146]
图5、图6为离合器的主要质量特性不同组合配置参数；
[0147]
图5、图6的第一组数据中提取基础质量特性；
[0148]
图7列出了基础质量特性的当前取值、变更范围、变更基数以及相应的变更代价，以便于质量特性的变更传播分析。
[0149]
根据公式：
[0150]h′
＝[h
′i,h
′1,h
′2,...h
′j]k×
(j 1)
[0151]
计算各个基础特性发生变更产生的初始影响；
[0152]
例如压盘质量的当前值、变更余量、变更基数及变更代价分别为2.28， 0.57，0.01，1。因此，压盘变更的真实度为α3＝0.57/0.01
×
1＝57。
[0153]
所有基础质量特性的初始变更代价计算结果如图8所示：
[0154]
由上述公式的评估步骤，计算建立的petri网模型中的t1～t
28
的置信度，置信度越大表示底层库所中的托肯越容易触发变迁条件进入上层库所。
[0155]
采用matlab软件对该过程进行编程，得到离合器组件中的质量特性间的灰色综合关联度评估结果即每个变迁处的置信度如图9所示。
[0156]
综上所述：本发明通过产品质量特性扩展petri网模型构建方法建立离合器的质量特性扩展petri网模型，根据发起库所真实度和变迁置信度的量化方法计算出各初始库所的真实度即初始变更代价以及各变迁置信度值，最终建立的质量特性扩展petri网模型可以来直观形象地描述产品质量特性的关联结构，从而提高企业和设计人员对复杂产品设计过程中的变更响应能力，为决策者提供可行最佳的变更方案，增强企业的抗风险能力。
[0157]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。