功能技术矩阵(一)
基于功能技术矩阵的概念产品设计方法探索
基于功能技术矩阵的概念产品设计方法探索 作者：吴婷 杨涛
来源：《海峡科学》2012年第12期
[摘要] 针对目前概念产品创新设计中存在的问题，借助功能技术矩阵、TRIZ创新理论原理，提出一种基于功能技术矩阵的概念产品开发模式，并阐述具体的实现技术，以期降低概念产品设计的复杂性和不确定性，提高设计成功率和设计品质。
[关键词] 概念产品 功能技术矩阵 创新设计方法
为了更好地规划公司发展战略，更早地预判市场需求趋势，使设计更具超前性、更具竞争力，概念设计应运而生。“概念设计”最早于1984年由德国学者Pahl和Beitz提出，他们认为：在确定设计任务之后，通过抽象化，拟定功能结构，寻求适当的作用原理及其组合等，确定出基本求解途径，得出求解方案，一部分的设计工作叫做概念设计[1]。概念设计在产品设计过程中占有非常重要的地位，类似于生物的基因，从质的层面决定产品的品质[2]。各大知名厂商诸如伊莱克斯、飞利浦、苹果、宝马等每年都投入大量的人力物力进行相关领域的概念设计实验，并定期推出概念产品展示活动，以求准确把握未来市场的需求与动向，在产品竞争中立于引领地位，实现企业利润最大化。
1 理论基础
目前，国内对概念产品设计理论研究的主体为高校，主要有浙江大学、西北工业大学、河北工业大学等，主要的理论基础有TRIZ、AD、QFD（质量功能配置理论）理论，国家863 科技计划和国家自然科学基金均资助了很多相关的研究课题。
浙江大学的冯培恩教授及其指导的研究生陈泳基于仿生学对概念产品设计方法学进行了探索，为建立基于遗传和重组的技术产品计算机辅助概念设计的新理论和方法做了探索性工作。 河北工业大学的檀润华教授及其指导的研究生王永山基于QFD及TRIZ理论对概念产品设计进行了研究，将QFD与TRIZ有机的结合，应用QFD解决设计中做什么的问题（What），应用TRIZ解决设计中如何做的问题（How），提升产品创新性。
以上对概念设计开发设计的研究虽然取得了一定了成效和进展，但仍然存在很多问题，比如：产品未来概念仅仅从技术进化规律层面研究是远远不够的，人们的审美、需求是多元、动态变化的，对未来需求的预测需要从文化、能源、环境等综合大环境角度进行研究；TRIZ理论解决具体工程问题很有效，但对建立丰富的、多元化的概念路线方面还有许多不足之处；此外现代产品的需求分析分为显性需求分析和隐性需求分析两个层面，苹果公司、微软公司、谷歌公司所创造的极富想象力的新产品显现出对隐性需求分析的重要性，而上述研究都没有涉及如何在概念产品研发中进行隐性需求分析。
本课题针对上述问题提出基于功能技术矩阵的概念产品开发模式，并在需求分析阶段引入TRIZ预测技术与未来预测理论相结合，针对隐性需求分析进行相应研究。
功能技术矩阵是一种非常直观的表格，它将产品所有分功能及其对应的所有可能实现途径罗列其中，设计者可以借助于功能技术矩阵进行各种组合，从中形成实现产品总功能的原理方案。功能技术矩阵为丰富产品开发方案、开拓设计思路、进行方案评价提供了有效解决模式。 TRIZ起源于前苏联，是俄语“发明问题解决理论”的缩写，前苏联著名发明家阿奇舒勒所领导的研究机构为研究人类进行发明创造、解决技术难题过程中所遵循的科学原理和法则，分析了世界上近250万件高水平的发明专利，并综合多学科的原理和法则，形成了一套TRIZ理论体系（见图1）[3]。此外，阿奇舒勒发现，技术从结构上可以进行进化，并总结出进化的趋势， 该进化趋势概括出：技术系统是按照刚体→单铰链→多铰链→柔性体→液体/气体→场的趋势进化，我们可以据此总结现在的产品技术处于技术进化中的何种阶段，并预测出该技术进化的趋势，从而在未来竞争中占得先机。例如，海尔集团等就在积极研发替代机械洗衣的利用水电解与超声波震荡相结合的新型洗衣机，这种新型洗衣机符合TRIZ技术进化趋势，能够实现省水、省电、省洗衣剂的要求。
* 福建工程学院教育科学规划项目基金：“基于工作过程导向的创新设计课程教学模式研究”（GB-K-11-05）。
TRIZ有三种工具：①39个通用过程参数和40条发明原理；②物质—场模型和76个标准解；③效应原理解[4]。
图1 TRIZ 理论体系关系
2 基于功能技术矩阵的概念产品开发模式
在概念产品设计过程中，对未来需求的准确预测是成功的起点，准确的设计定位可以为企业赢得市场先机，在科学技术高度发展的今天，单纯利用现有的科技已经不能适应市场的竞争了，苹果、Google等企业的经验告诉我们，现在的产品研发必需具有超前意识，产品开发的模式也必须进行必要的调整；与此同时，如何将未来的需求用最低的成本、最令消费者满意的形式进行展现也是概念产品开发取得成功的另一关键。
隐性需求是与显性需求相对的，隐性需求可以通过一定的转化过程而表现为显性需求从而被企业和用户认知。为了在激烈的市场竞争中赢得先机，国际上比较知名的几大企业甚至提出引导消费者生活习惯的设计口号，在这种背景下，如何挖掘隐性需求成为设计师必须解决的难题。因此，本课题在研究概念产品开发的需求分析过程中，引入需求预测概念——即通过TRIZ预测理论及未来环境预测、归纳，发掘用户的隐性需求，以提升产品开发的创新性。 TRIZ技术进化理论中包含10条定律（或模式）与多条进化路线。这里的10条定律是指技术进化的10个方向。技术进化路线指出了某种技术进化的状态序列，实质是技术如何从一
功能技术矩阵(二)
功能技术矩阵
【功能技术矩阵】
功能技术矩阵(三)
功能技术矩阵
【功能技术矩阵】【功能技术矩阵】
功能技术矩阵(四)
光开关矩阵技术及其性能分析
【摘要】光开关矩阵是智能光交叉连接设备和可重构光分插复用器核心技术，是构建自动交换光网络的基础。本文主要介绍了大规模商用的光开关矩阵的关键技术原理，并且详细分析了由技术原理所决定的性能指标。 【关键词】光开关矩阵MEMS技术压电光束导向技术自动光耦合技术性能分析
一、引言
自动交换光网络（ASON）是指用户与用户之间的信号传输与交换全部采用光技术，即数据从源节点到目的节点的传输过程都在光域内进行[1]。智能光交叉连接设备（IOXC）和可重构光分插复用器（ROADM）是自动光网络的核心器件[2，3]。而光开关阵列是IOXC和ROADM的核心技术。
随着光通信技术的飞速发展，ASON对光开关矩阵也提出了更高的要求。光开关矩阵技术是光通信研究的热点，不同交换原理和实现技术的光开关矩阵被广泛提出。基于不同原理和技术的光开关矩阵的具有不同的性能指标，适用于不同的场合。目前，实现规模商用的光开关矩阵技术主要有三种：基于MEMS技术，压电光束导向技术，自动光耦合技术。
二、光开关矩阵技术
2.1MEMS技术
基于MEMS技术研制的光开关矩阵一般被称为MOEMS（微光学电子机械系统，Micro-Opto-Electro-Mechanical System）。其基本原理通过静电力或电磁力的作用，使可以活动的微镜产生升降、旋转或移动从而改变输入光的传播方向以实现光路通断的功能。
MEMS光开关矩阵可以分为二维和三维光开关矩阵。二维光开关矩阵由一种受静电控制的二维微小镜面阵列组成，光束在二维空间传输。准直光束和旋转微镜构成多端口光开关矩阵，对于M×N的光开关矩阵，具有M×N个微反射镜。二维光开关矩阵的微反射镜具有两个状态0和1（通和断），当处于1状态时，反射镜处于由输入光纤准直系统射出的光束传播通道内，将光束反射至相应的输出通道并经准直系统进入目标输出光纤。当处于0状态时，微反射镜不在光束传播通道内，由输入通道光纤射出的光束直接进入其对面的光纤。这种二维光开关矩阵插人损耗小，控制电路简单，由于系统需要的微反射镜数量大，如果要想实现更高交叉容量，在技术上十分困难。
三维MEMS的微镜固定在一个万向支架上，可以沿任意方向偏转。每根输入光纤都有一个对应的MEMS输入微镜，同样的每根输出光纤也都有其对应的MEMS输出微镜[4，5]，如图1。因此，对于M×N三维MEMS光开关，则具有M+N个MEMS微反射镜。由每根输出光纤射出的光束可以由其对应的输入微镜反射到任意一个输出微镜，而相应的输出微镜可以将来自任一输入微镜的光束反射到其对应的输出光纤。对于M×N三维MEMS光开关，每个输入微镜有N个状态，而输出微镜则具有M个状态。三维光开关矩阵插入损耗相对要比二维光开关矩阵大，由于所需微镜数量少，所以容易实现更大的交叉容量，但控制电路复杂。
2.2压电光束导向技术
压电光束导向技术又称为直接光束控制技术（Direct Beam Steering）[6]。直接光束控制技术是将光纤准直器直接控制在一个机械结构上，然后将其排列成一面准直器阵列。将两面准直器阵列组成相对而列，这样就构成了光开关矩阵。在进行交叉连接时，控制需要连接2个光纤准直器，使其在同一条直线上，这样光信号就直接从一个准直器传入到另一个准直器里，而不需要经过任何微镜的反射，因此不会造成光信号的损耗。
实现光束直接控制技术的核心是固态驱动技术，即利用固体材料尺寸的改变产生的位移来驱动准直器的移动，改变光束的传输方向。压电陶瓷具有在电压控制下在某一轴向上改变尺寸的功能，并且根据电压的不同改变的尺寸不同，正好可以用来作为固态驱动材料。
Polatis公司的OSM系列光开关矩阵采用压电光束导向技术，将光纤准直器固定在由压电陶瓷和MEMS位移放大器组成的驱动器上，然后将该驱动装置排列成两面相对的阵列，构成光开关矩阵。原理示意图如图2。
2.3自动光耦合技术
自动光耦合技术是一种与现有光纤连接技术最接近的一种光开关矩阵技术，它的基本原理是采用高精度步进马达驱动需要相互连接的两个光纤的特制连接头进行物理耦合。两个光纤连接头直接接触连接在一起，光路中不存在微反射镜、微透镜等光学器件，这样使光信号的损耗降到最低。从光信号传输机理上讲，利用自动光耦合技术设计的光开关矩阵的光学指标最优秀。
自动光耦合技术的核心是高精度锁定装置和高精度定位装置。高精度锁定装置使得光路的光学性能可以与高精度的光纤连接技术相媲美；同时，由于采用锁定装置，使得光连接可以抗击振动和冲击的干扰，而且即使在断电的情况下，也不会影响已有的光路连接。高可以精度定位装置能准确的驱动光纤连接头准确的插入锁定装置，完成光纤耦合。基于自动光耦合技术设计的光开关矩阵分为三层，光纤连接头被分在上下两层，构成主动交换层，由高精度步进马达控制；中间层为光纤锁定层，完成光路的物理耦合。需要特别说明的是，由于采用物理接触连接光路，造成其光开关矩阵切换寿命短，每个通路只有2000次的寿命。如图3。以色列Fiberzone-Network公司是自动光耦合技术的倡导者，基于该技术设计的AFM 360系列光开关矩阵已经成功面市。
三、光开关矩阵性能分析
3.1插入损耗
当光信号通过光开关时，将会产生插入损耗。光开关产生损耗的主要因素有：光开关矩阵端口耦合时产生损耗，光信号在光开关内部传输时光开关自身材料对光信号产生的损耗。自动光耦合技术光开关矩阵产生的插入损耗最小，小于0.5dB；其次是基于压电光束导向技术制作的光开关矩阵，插入损耗小于1.5dB；基于MEMS技术的光开关矩阵插入损耗最大，最大值在3.7dB左右。
三种技术的光开关矩阵在端口耦合时产生的损耗没有差异，插入损耗的差别主要体现在光开关矩阵内部结构对插入损耗的影响。自动光耦合技术采用物理接触方式连接光通路，插入损耗产生在光纤连接头接触点，插入损耗很小；压电光束导向技术由两个准直器对准来连接光通路，其插入损耗主要由两个准直器中心点对准程度决定；基于MEMS技术的光开关矩阵的插入损耗除了受光纤和微镜的对准精度影响外，微镜转动角度的精确度和微镜镜面的光滑度及材料性能对插入损耗影响也非常大[7]，光路要经过三次反射必然会造成更多的损耗，致使插入损耗增大。 3.2回波损耗
回波损耗是指从输入端口返回的光功率与输入光功率的比值。返回光信号是指光路传输过程中，在介质端面处反射回的光信号。主要包括输入端口连接头端面反射回光信号和光开关矩阵内部反射回光信号。在采用PC连接头时，基于自动光耦合技术和压电光束导向技术制作的光开关矩阵回波损耗值相近，小于-45dB；基于MEMS技术的光开关矩阵回波损耗最大，最大值在-30dB左右。
同插入损耗一样，回波损耗指标的差异性由光开关矩阵内部结构造成。基于自动光耦合技术和压电光束导向技术制作的光开关矩阵内部光路由两个连接头或准直器直接相连，中间不经过任何光学器件，反射端面少，所以回波损耗小；基于MEMS技术的光开关矩阵内部光路经过多次反射，反射端面多，造成反射回的光信号较强。另外，MEMS光开关矩阵内部微镜表面涂层材料对回波损耗也有较大的影响。
3.3临路串扰
指串入相邻端口的输出光功率与光开关接通端口的输出光功率的比值。为保证传输质量，光开关端口之间的串扰必须非常小。基于MEMS技术和压电光束导向技术的光开关矩阵临路串扰指标相近，均大于60dB，造成串扰的原因是所有的输入光信号在同一内部空间进行交叉连接，光器件的散射效应造成光信号从其他端口输出；基于自动光耦合技术的光开关矩阵内部光路不会在同一空间内进行交叉连接，而是由固定连接装置将两个连接器锁定进行物理连接，因此几乎不存在临路串扰，其指标要大于80dB。
3.4开关时间
指光开关端口从某一初始态转换为另一状态所需的时间，一般从光开关矩阵上施加或撤去控制信号的时刻起测量。当开关时间达到毫秒量级时，能够满足自动交换光网络重新选择路由的要求；当开关时间达到纳秒量级时，可以支持光互联网的分组交换。
基于MEMS技术和压电光束导向技术的光开关矩阵的光器件驱动电路均采用MEMS技术制造，其开关速度相近，在20ms左右；由于采用高精度的步进马达控制光连接头的移动，其移动速度较慢，所以基于自动光耦合技术的光开关矩阵开关时间在30s左右。
3.5最小输入光功率
最小输入光功率是指光开关矩阵所能传输的最弱光信号功率，如果光信号低于该值，就不能正确无误的通过光开关矩阵。基于自动光耦合技术和压电光束导向技术制作的光开关矩阵内部光路由两个连接头或准直器直接相连，中间不经过任何光学器件，对光信号功率没有要求，均支持暗光传输。光信号经过基于MEMS技术的光开关矩阵时，要经过多次微镜的反射，镜面涂层的材料影响光信号的传输。因此，MEMS技术的光开关矩阵要求光信号不能低于-25dB，经过特殊工艺处理的要求输入光功率不能低于-35dB。
四、总结
光开关矩阵技术促进了光传输网络进一步向智能化迈进，为ASON的建设提供了强大的技术支持。但是由于采用不同技术设计的光开关矩阵具有不同的性能指标，需要根据应用环境的要求选择合适的光开关矩阵。可以预见，光开关矩阵必将向具有更高的工作速度、更低的插入损耗、更大的交叉容量和更长的工作寿命方向发展，同时其集成度会越来越高，每一端口的成本越来越低。
参考文献
[1]许国亚，赵季红.智能光网络的生存性研究及关键技术[J].光通信技术，2004，28（9）：41-45
[2] SU Y Chandrasekhar，RYF S，et al.A multirate upgadable l.6-Tb/s hicrarhical OADM network，Photonics Technology Letters. IEEE，2004，16（1）：317-319.
[3]陈希明，梁斌.全光网络中光开关技术及其应用[J].重庆邮电大学学报，2007，19（6）：702-705
[4]谌贵辉，张万里，彭斌，等.通信领域中的MEMS器件及发展动态[J].电讯技术，2004，44（2）：19-24
[5]胡剑，李刚炎.基于MEMS的光开关技术研究[J].半导体技术，2007，32（4）：332-334
[6] Todd A. Truex，Aaron A. Bent，Nesbitt W. Hagood. Beam-Steering Optical Switch Fabric Utilizing Piezoelectric Actuation Technology[C]. American：NFOEC 2003 Technical Proceedings，2003. 251-260
[7] Chen Qinghua，Wu Wengang，Wang Ziqian. A 16×16 Micro Mirror Array for Optical Switches [J]，JOURNAL OF SEMICONDUCTORS，2008，28（8）：1496-1503
功能技术矩阵(五)
基于功能矩阵的战时装备维修保障任务分解方法研究
摘要： 本研究应用功能树和布尔代数的方法对不同的任务分解形式加以表示，通过功能相似分解和功能矩阵约简等方法，实现维修保障任务-功能的分解。任务分解的案例表明，该方法可以简化任务分解过程，实现快速、有效地确定维修保障任务-功能分解。 Abstract： Function tree and Boolean algebra are used to describe the different decompositions， and function similarity and function reduce methods are used to operated the maintenance support task decomposition. Results of example's researching show the methods can simplify the task decomposition process.
关键词： 任务分析；功能矩阵；功能约简
Key words： support task analysis；function matrix；function reduce
中图分类号：E07 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）26-0294-03
0 引言
信息化作战装备维修保障中，通过保障任务需求分析逐步将保障任务分解为功能需求，进而通过保障功能需求筹划保障活动，组织保障过程，因此保障任务分析的首要问题是将保障任务合理地分解为保障功能。
1 装备维修保障任务分析
保障任务是保障活动的原因和目的，只有实施保障活动才能完成保障任务；保障功能是保障系统履行保障活动的能力，保障功能决定了保障活动；保障活动是保障功能表现形式，因此对保障任务的分析就是对保障功能和活动分析。但是完成不同的保障任务，可能使用不同的保障功能。装备维修保障任务根据作战类型的不同大体上可以分为进攻作战装备保障和防御作战装备保障，在保障指挥层次主要是根据作战首长的决心构想本次作战的装备保障任务。参谋层次装备保障任务是根据装备指挥员的决心构想组织本次装备保障任务，其任务是将指挥员的想法细化，变成具体的、可供分队执行的方案计划等，这是整个装备保障的关键。
2 基于商空间粒度计算的装备维修保障系统任务-功能的分解
2.1 商空间粒度计算的基本原理 粒度计算是美国学者于1997年提出，目的就是建立一种体现人类问题求解特征的一般模型，在不同的信息粒度层次上进行问题求解，形成多层次问题求解结构，从而达到在不同层面对原问题的分析和了解。商空间理论是张钹和张铃教授提出的对粒度计算理论的扩充，该理论认为概念可以用子集来表示，不同粒度的概念就体现为不同粒度的子集，一簇概念就构成空间的一个划分，即商空间，不同的簇概念又构成不同的商空间，由此可将粒度计算解释为同一问题取不同的适当的粒度子集，从对不同粒度子集研究中综合获取对原问题的了解。
2.2 维修保障功能表示 依据商空间和粒度计算的基本思想，在维修保障功能分解中，对于总功能如何进行分解以及分解到何种程度为宜，将取决于实际问题的情况、复杂程度、决策者的经验和以后的求解过程。通常，维修保障指挥人员将维修保障功能大致分为总功能、复合功能和元功能三个层次，下面给出基本定义。定义1维修保障元功能。是维修保障功能模型系统中最小的且包含完整有意义信息的单元，元功能是维修保障功能结构中处于最底层的不可再分解或者不宜再分解的子功能，因此在功能分解中，控制分解是否结束。定义2维修保障复合功能。是包含了多个维修保障复合功能和元功能的实体，用N（？专）表示该复合功能的名称，M（？专）表示成员集M（？专）={m1，m2，…，mn}，其中m表示构成该复合功能的元功能，OP（？专）表示复合功能间的逻辑运算关系。功能的表示除用上述逻辑关系表示外，也可以用功能树的方法进行表示如图1，功能树的建立是从确定总功能开始的，采用自顶向下的方法把功能作为顶节点再进行分解，一直到最底层的元功能为止。在自顶向下的过程中，是“总功能-子功能-元功能”的过程，总功能节点和子功能节点统称为功能节点，子功能节点分为元功能节点和复合功能节点，其关系可通过表1的与/或/非3种门节点进行表示。
功能树可视为布尔代数表达逻辑关系的一种应用，与门分解相当于∧，或门分解相当于∨，非门相当于补运算？劭。对于功能T，若按或门展开为M1、m1和M2，则有T=M1∨m1∨M2，即功能M1实现或元功能m1实现或功能M2实现，才有功能T实现；按与门展开为M1，则有M1=m2∧m3∧m4，即元功能m2、m3和m4都实现，才有功能M1实现。
2.3 维修保障功能矩阵
2.3.1 功能矩阵描述。为描述功能矩阵及矩阵的算法，先给出功能函数的定义，而后给出功能矩阵的定义[9]。功能函数：对于n维向量X=（x1，x2，…，xn），其中任一分量xi为元功能变量，称布尔函数Φ（X）=Φ（x1，x2，…，xn）为n维向量X上的功能函数，并把布尔函数右端的布尔表达式称为功能表达式，记为U，所有功能表达式全体构成的集合记为R（U）。功能函数本质上是功能树和布尔代数运算规则的桥梁，一方面是功能树的结构表示，另一方面其计算都是按照布尔代数的运算规则，对图1的功能函数的计算为：
Φ（X）=M1∨x1∨M2=（x2∧x3∧x4）∨x1∨（x5∨x6）。
由于功能函数为布尔函数，因此功能函数右端的功能表达式可以化为积和的形式：U=■■D■=■■x■（1）
其中U∈R'（U），R'（U）为所有标准功能表达式构成的集合，Di为表达式中第i个布尔积项，k为表达式中布尔积项的个数，记Fi为Di中出现的所有元功能变量号的集合。 功能矩阵：系统所考虑的元功能变量数为n，有B=f（U），其中Bk×n=（bij）k×n，每个元素bij为布尔变量，且bij=1，j∈F■0，j？埸F■，称B为功能矩阵。
（1）式称为标准功能表达式，显然，如何得到功能函数的标准功能表达式成为了问题的核心，针对布尔表达式的运算规则，可由布尔变量构成功能矩阵，把布尔表达式的计算转化为功能矩阵的计算，把标准功能表达式映射为功能矩阵。功能矩阵排序规则：功能矩阵自上而下，按每行中“1”的个数从小到大排序。功能行矩阵：对于功能矩阵的每一行，单独列为一新的矩阵αi，称为功能行矩阵。功能行矩阵可视为一个n维布尔向量，显然有B=（α1，α2，…，αk）'，由功能矩阵定义可知，标准功能表达式的每个布尔积项分别与功能矩阵的每一行对应。
2.3.2 功能矩阵运算。功能行矩阵的运算：对于功能行矩阵α1=（a1，a2，…，an），α2=（b1，b2，…，bn），ai和bi为布尔变量（i=1，2，…，n），定义与运算为α1·α2=（a1∨b1，a2∨b2，…，an∨bn）'，或运算为α1+α2=（α1，α2）'。功能矩阵的运算：对于功能矩阵B1=（α1，α2，…，αk1）'，B2=（β1，β2，…，βk2）'，定义与运算为B1·B2=（α1·β1，α1·β2，…，α1·βk2，…，αk1·β1，αk1·β2，…，αk1·βk2）'，或运算为B1+B2=（α1，α2，…，αk1，β1，β2，…，βk2）'。功能矩阵的吸收运算：功能矩阵如果存在第m行满足：bij？叟bmj，m∈（1，2…，k）；m≠i；j=1，2，…，n，则B=（bij）k×n∈
I（B）的第i行应删去i∈（1，2，…，k）。约简运算与约简功能矩阵：对于功能矩阵B1∈I（B），对B1的各行按前面所述的排序规则进行排序，然后对排好的功能矩阵B1∈I（B），自后向前对B1的每一行依次进行吸收，得到的新的功能矩阵B2称为B1的约简功能矩阵，该运算称为约简运算。
2.4 维修保障功能分解方法
2.4.1 基于相似推理的功能分解。人们在确定功能结构时，一般会考察以往的任务需求是否与当前的相似，功能组合是否适用，或是修改后能用，如结果肯定，可以应用以前的功能分解结构，这样省时省力。相似理论是一种系统方法，可用来判断两种事物之间的相似性，相似理论认为，自然界的一切事物都可视为系统，系统由子系统或要素组成，要素由若干特性组成，特性具有特征值。当系统间存在共有特性，其特征值相似，这对应共有的特性称为“相似特性”。基于相似推理的功能分解过程如图2所示，功能分解者根据任务要求，初步设想总功能、复合功能，而后按照推理知识库中的规则，将其与功能知识库中的功能分解结构进行相似比较，选择合适的功能分解结构逐步替换设想的总功能和复合功能，最终形成当前任务的功能分解结构。采用功能知识库的方法进行相似推理可以充分利用以往的经验，同时快速进行多种功能分解方案搜索，可以提高分解效率，减少重复工作。
推理规则库主要是为相似比较提供方法和规则，基本的是相似度比较的计算方法和比较规则，如下所述。
相似值计算：对两个元功能的某个相似特征j，其特征值依次为Sj（a）和Sj（b），则特征相似度rj数值反映特征相似程度，即：r■=■，0？燮rj？燮1，j=1，2，…，n（2）
设相似元功能ai，bi中的特性数量分别为k，l，相似特性数量为n，特性的相似程度为rij，取某一特征对单元相似性影响的权重系数为dj，则两相似元功能的相似程
度为：q（ai，bi）=■■djrij（3）
同理，设A，B为相似复合功能，则复合功能的相似度公式为：Q（A，B）=■■Diq（ai，bi）（4）
其中q（ai，bi）为相似元功能的相似值，Di为每一组相似元功能相似度权重系数。
2.4.2 基于功能约简的功能分解。由于对功能矩阵运算涉及到功能变量的处理，因此可以通过功能矩阵运算从复合功能变量转化为元功能变量。由此，对一个完整的功能树，可将总功能变量对应的复合功能矩阵逐步展开，同时进行约简，最终转化为只含元功能和最简复合功能的功能矩阵，依据此最简功能矩阵进行转换，达到确定功能分解结构的目的，由此确定基于功能约简的功能分解步骤如下：步骤1：由总体功设计最初的功能树，并对对功能树的元功能、复合功能节点编号；步骤2：由功能树得到最初的总功能变量的功能矩阵；步骤3：将功能矩阵分解，变为复合功矩阵和基本元功能矩阵的组合形式，由此对当前复合功能矩阵按照一定的展开定理展开；步骤4：每次复合功能展开后进行约简运算，并判断是否为最简功能矩阵，若功能矩阵中存在为“1”的复合功能变量，转到步骤3，否则继续；步骤5：对最后得到的功能矩阵，去处复合功能变量对应的列，得到最终的功能矩阵，依据此功能矩阵便可转化为功能分解。
3 维修保障功能分解示例
针对一般情况下的维修保障进行功能分解，总体说来维修保障应包括保障指挥、维修保障实施和供应保障等复合功能，由此逐步细化形成基本的功能设计，即功能树分解，如图3所示，各节点的含义如表2所示，其中节点数为26个，元功能为15个，元功能出现次数为17次。
根据功能约简的方法，从顶功能开始逐层进行复合功能的展开和约简，具体步骤如图4所示，操作A-D是由总功能分别扩展到不同层次的复合功能，相当于功能分解步骤中的第一至三步，E-J是由复合功能逐步分解到元功能，其间每扩展一步后需要依据上节约简定理进行约简，如操作K，其中画横线的行标示了约简前后的结果，这相当于分解步骤的第四步，最后去功能矩阵中复合功能变量的列，形成最终的功能分解矩阵，如图中矩阵的阴影部分。由最终的功能矩阵可知，此矩阵共有36行，每一行都是实现总功的一种元功能组合途径，因此对应36中实现途径。 如果从实现总功能的方案组合数考虑，图4中共有4个“或”关系，由组合原理可知可能的方案数量为C■■×C■■×
C■■×C■■=54种，但这些方案中存在着重复的基本功能，采用扩展-约简的功能分解方法，利用了布尔代数的吸收律，从而将功能分解的方案数量缩减至36种。缩减后的方案中排除了重复的元功能，减少了冗余的信息，可以形成功能分解知识库的知识主体，为不同保障任务情况下，采用基于相似推理方法进行具体保障功能分解提供支持。进攻作战中的维修保障分为保障指挥、维修保障和供应保障三个复合功能，在维修保障方式选择上，进攻作战一般采用伴随和机动支援保障的修理方式，对定点保障选择较少，同时对供应保障的更多地需要携行，只在必要时设置资源保障点进行定点供应，这些需求将引起功能分解的不同，需要在功能分解知识库中选择合适的分解方案。设进攻作战中的维修保障功能需求表示为指挥、维修和供应三项复合功能的与关系，并逐步细化功能需求，即T=M1∧M2∧M3=（M11∧M12）∧（M21∧M22）∧（M31∧M32），M11=（x1∧x2∧x3）表示指挥计划功能，M12=（x4∨x5∨x6）表示决策功能，M21=（x7∨x8）表示装备的准备功能，M22=（x9∨x10∨x11）表示抢修功能，M31=（x12∧x13）表示保障资源的配置功能，M32=（x14∨x15∨x16）表示对保障资源的补充功能。x1表示战前相关信息获取，x2表示对本次作战维修保障任务的预测，x3表示本次维修保障的方案制定，x4表示战时对维修保障人员的调度，x5表示对维修保障资源的调度，x6表示对保障路线的选择，x7表示战前对参战的完好装备进行保养，x8表示战前对参战装备的修理，x9表示伴随修理，x10表示支援修理，x11表示定点修理，x12表示资源的配置位置，x13表示资源的数量种类，x14表示供应的送达，x15表示需求点接取资源，x16表示供应路线的确定。
在图4形成的36种分解方案知识库中，找到与T相似的复合功能分解S=（S1∧S2）∧（S3∧S4）∧（S5∧S6），S1=（y1∧y2∧y3），S2=（y4∨y5∨y6），S3=（y7∨y8），S4=（y9∨y10），S5=（y11∧y12），S6=（y13∨y14）。S1表示战前制定进攻作战的保障方案，S2表示对战时对人员、资源的决策调度，S3表示战前对参战装备的技术准备，S4表示战时对战损装备的抢修恢复，S5表示战前对保障资源的配置，S6表示战时对保障资源的供应，根据（2）式分别计算M11与S1，M12与S2，M21与S3，M22与S4，M31与S5，M32与S6的相似度。
以M11与S1相似度的计算为例说明，M11有3个元功能x1，x2和x3，S1有3个元功能y1，y2和y3，对上述元功能量化取值分别为：0.8，0.7，1，0.7，0.8，0.95，由保障决策人员给出M11有3个元功能的权重系数分别为：0.3，0.4，0.3，则Q（M11，S1）=（0.3×■+0.4×■+0.3×■=0.897）。
在计算出本级复合功能的相似度后，依据同样的方法可以计算出上层复合功能的相似度值，直至最后计算出Q（T，S）的相似度值为0.7152，该值大于维修保障指挥人员设置的阈值0.7，则知识库中的功能分解方案S可作为本次任务的功能分解，功能代号的含义如表2所示。该分解在保留了一般维修保障功能分解结构的基础上，针对进攻作战的特点，在维修保障复合功能M22只分解为伴随和支援保障功能两项，同时对供应保障功能分解中路径决策功能需求放到M123中一起实现。
4 结论
实例验证该方法可以针对不同维修保障任务实现快速、有效的任务-功能分解。在下一步的研究工作中还应丰富相似推理的计算类型，同时研究对不同任务分解的评价方法。
参考文献：
[1]刘电霆，周德俭.基于区间数设计结构矩阵的任务分解与重组[J].机械设计与研究，2009，25（6）：7-9.
[2]汤廷孝，廖文和，黄翔，刘勇.产品设计过程建模及重组[J]. 华南理工大学学报，2006，34（2）：41-44.
[3]邬德华.装备保障指挥学[M].北京：国防大学出版社，2002.
功能技术矩阵(六)
计算机的科学计算功能在工程领域中的应用
摘 要：本文就电子计算机的科学计算功能在工程领域的优越性进行了探讨，并列举了计算机科学计算功能在工程领域应用的实例。 关键词：计算机；科学计算；工程；Matlab
中图分类号：TP3
1 工程领域应用计算机计算的必要性
工程是含义很广的词汇，它是科学和数学的一种综合应用，通过这种应用，可以把自然界的物质通过各种结构、机器、产品、系统等以最高的效率转化成人类所需要的物品，如建筑工程把砖瓦转化成各种房屋、道路桥梁等等，而机械工程把各种金属和化合物转化成为人们需要的各种机械。
工程的一大特点就在于高效。它需要用最短的时间最少的人力，以最高效率把自然界的物质转化为对人类有用的产品。另一特点就在于其可靠性，工程所产生的产品只有可靠、安全，才能够成为人们生产生活中的得力助手；反之，存在安全隐患的产品，不但不能对人类有所帮助，还有可能对人类的生命安全造成威胁。
随着科学技术的发展以及人们对工程产品要求的提高，原始的工程技术已经很难满足工程要求。例如在建筑工程中，普遍存在着高层化、规模化、大型化的趋势；而在机械工程中，对产品的精度、强度、刚度等要求都在不断提高。这些工程变化给工程计算带来了巨大的挑战，传统的计算方式，已经无法满足工程要求，因此，迫切需要一些新的计算工具。而电子计算机强大的计算功能，正是工程领域所需要的。
2 计算机的科学计算功能应用于工程领域的优越性
2.1 计算的高效性。1946年的2月14日，在美国的宾夕法尼亚大学问世的第一台电子计算机就以其超高的计算速度而震惊了世界。当时，这台重达28t的庞大机器的加法计算速度达到了每秒5000次，在当时人们的眼中，这显然已经是一个十分惊人的数字。而随着计算机技术的飞速发展，电子计算机的计算速度已经可以达到每秒万亿次，就算普通微机的计算速度每秒都能达到上亿次。这样的计算效率，使得很多复杂的计算问题得到解决。用传统计算方法几年几十年都无法完成的大型计算工程，应用计算机只需要几个小时就可以计算完成。可见，电子计算机超高的计算效率大大提高了现代工程的效率。
2.2 计算的精确性和准确性。现代许多工程行业对工程精度的要求都非常高，有时候，看似十分微小的误差都有可能导致极大的工程隐患。在传统的计算方式中，依靠手动计算的精度很低，同时，由于现代工程庞大的计算量，很难保证工程计算时不会出现错误，这成为工程计算的一大问题。而现代计算机可以有几十位的二进制有效数字，相应的计算精度能够达到百万分之一甚至更高，这给高精度计算提供了前提。而电子计算机的计算大部分是靠计算机自身以固定的程序完成的，因此，计算机的计算结果不必担心其准确性。
2.3 计算的便捷性。现代很多的计算机软件都收录了大量的函数。人们在使用大多数函数的时候只需要调用一下就能够使用已有的函数，非常方便。就算是有些数据库里不存在的少数函数或者方程，也只需要在计算时做一个编程就可以很方便地完成任务。而在很多的计算问题中，需要大量的方程、矩阵等等，用手写十分麻烦，而且计算也十分费时费力。但是使用一些合适的软件，就能够在输入方程、矩阵的形式后直接得到所要求的结果。而且输入的数据一目了然，一旦出现了输入错误，也很容易纠正。
3 计算机的科学计算功能在工程领域中的应用实例
计算机的科学计算功能在工程中的应用体现在两个方面，一方面是纯数学计算应用，另一种是建立在工程模型基础上的应用。这两方面的应用，无疑都为工程建设提供了巨大的帮助。
3.1 纯科学计算在工程领域中的应用。（1）Microsoft EXCEL—很实用的数据处理软件。这款软件相信人们都不陌生，它是微软公司Microsoft Office办公软件中的标志性软件之一，基本功能是进行网格数据的采集和处理。但是，在这款软件内有很庞大的函数数据库，正常的函数计算都可以通过EXCEL来解决。这款软件掌握简单，操作便捷，在工程中进行数据的录入、存储和处理都十分方便。因此，一些简单的数据处理都可以应用EXCEL，是一款非常使用的软件。（2）MATLAB—强大的数学计算平台。MATLAB是由美国的MATH WORKS公司在1984年发布的一款强大的高级计算机语言，其全称是MATrix LABoratory（矩阵实验室），顾名思义，这款软件在矩阵计算方面具有十分强大的功能，而这款软件研发的初衷也是为了方便矩阵的运算，但是随着其发展，人们发现将这款软件应用于工程计算可以取得非常好的效果。
MATLAB在同等级的计算机语言中，操作更为便捷，变成更加容易，功能更加强大，且有更强的可开发性，因而在工程中的应用十分广泛。首先，它能够很便捷地计算函数的收敛性。在很多工程计算问题中，求解是非常复杂多变的，而衡量计算问题正确性的一大标准就是函数是否收敛。但在验证函数收敛时，需要反复进行多次计算才能够得到最终的收敛性结果，这给工程师带来了极大的不便，而应用MATLAB只需要几行编程，就能够自动进行千万次的收敛性试验，很容易地解决了收敛的问题。另外，在需要处理大量矩阵问题的工程中，MATLAB同样起着十分重要的作用。在求解最优解的问题中，会出现很多庞大的矩阵，人工想要计算这些矩阵非常麻烦，而且由于其繁琐的形式，很容易出现计算错误。而应用MATLAB，只需要在平台上输入矩阵的形式，按照一定的程序进行计算就可以了。在程序正确的前提下，验证正确性只需要检验输入数据是否正确即可，这给工程带来了很大的方便。
3.2 计算机科学计算功能基于工程模型的应用。现代工程已经告别了只依靠一张图纸进行工程的时代。由于现代工程对精度要求极高，所以需要先建立虚拟模型并进行力学计算，才能确保工程的质量。现代工程计算中常应用的是有限元法，这种方法是把一个模型通过网格划分成为若干个小的单元，并对小单元逐个求解最终得到想要的结果，网格划分地越密，计算精度就越高。
在计算机中应用有限元法的基本步骤是：按照预期设计在计算机中建立一个虚拟模型并给定相应的材料常数；对模型进行网格划分，把模型划分成许多的小单元；在模型上施加载荷和约束；进行求解；数据的后处理。经过这些步骤之后能够直观地得到所需要的结果。
在这一方面，ABAQUS的应用是十分广泛的，相比于ANSYS等其他工程软件，这款软件具有很大的优势：ABAQUS具有很强的兼容性，它不光能够依靠自身完成建模，同时也能够导入用Auto CAD、ANSYS等其他软件所建成的模型；ANSYS就建模来说并不是最优秀的一款软件，但是其在数据处理上的优势是很明显的，它能够进行模型的静态和动态分析，完成装配接触等操作，想比其他软件在数据处理方面更为强大。另外，ABAQUS还有草图功能，建模中出现的错误能够在草图中得到修正。而其强大的恢复功能保证了在突然断电、故障之后可以紧急存储，从而把损失降低到最小。
4 结语
电子计算机强大的科学计算功能在工程领域的应用已经相当广泛，它已经在工程实际中证明了自己的价值。而在计算机发展脚步从没有放缓的今天，计算机的科学计算功能必然会更加强大，给工程带来的便利也会更多。现代工程要重视起计算机的作用，紧跟计算机发展脚步对计算方法进行更新，这样，才能保证工程的效率和质量。
参考文献：
[1]孙萌.计算力学及其工程应用[J].科技创新导报，2010，30：85.
[2]赵梅，李栋梁.MATLAB在工程领域中的应用概论[J].科技信息，2012，14：243.
作者简介：杜新（1975.11-），男，本科，通信工程师，藉贯：吉林长春，主研方向：数据通信；李海霞（1976.4-），女，大专，计算机工程师，藉贯：吉林长春，主研方向：计算机及应用管理。
作者单位：长春市产品质量监督检验院，长春 130012；中国联合网络通信有限公司长春市分公司，长春 130000
http://m.zhuodaoren.com/shenghuo351798/
推荐访问:视频矩阵功能 功能矩阵图
