图学学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (6): 1188-1199.DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2024061188
于晗1(), 陈治源1, 熊熙瑞1, 戴原星2, 蔡鸿明1(
)
收稿日期:
2024-07-18
接受日期:
2024-10-10
出版日期:
2024-12-31
发布日期:
2024-12-24
通讯作者:
蔡鸿明(1975-),男,教授,博士。主要研究方向为工业软件、计算机辅助设计等。E-mail:hmcai@sjtu.edu.cn第一作者:
于晗(1994-),女,助理研究员,博士。主要研究方向为基于模型的系统工程、知识图谱、工业软件。E-mail:han_yu@sjtu.edu.cn
基金资助:
YU Han1(), CHEN Zhiyuan1, XIONG Xirui1, DAI Yuanxing2, CAI Hongming1(
)
Received:
2024-07-18
Accepted:
2024-10-10
Published:
2024-12-31
Online:
2024-12-24
Contact:
CAI Hongming (1975-), professor, Ph.D. His main research interests cover industrial software and computer-aided design, etc. E-mail:hmcai@sjtu.edu.cnFirst author:
YU Han (1994-), assistant researcher, Ph.D. Her main research interests cover MBSE, knowledge graph and industrial software. E-mail:han_yu@sjtu.edu.cn
Supported by:
摘要:
基于模型的系统工程(MBSE)是当今产品数字化设计的重要方法之一。然而由于系统工程极高的专业性和产品极高的复杂关联性,在复杂产品上应用基于模型的系统工程十分困难。针对这一问题,一种基于检索增强大语言模型的智能化设计方法被首次提出。方法首先建立了面向模型对象的多模态向量表示方法,通过检索增强生成技术,引入领域知识和建模规则,引导大模型更准确地生成MBSE模型视图;其次,提出了基于MBSE元素关联的视图优化方法,通过上下文交互结果交叉验证模型准确性;再次,通过大语言模型对建模工具接口调用和对候选零件的选择,实现设计模型和物料树的生成;最后,构建了一个包含24个场景模型的数据集对方法进行验证,实验结果表明该方法具有较高的准确性和可用性。以喷水推进装置为建模对象的案例研究也表明该方法能在保持可用性的基础上有效提升建模效率,对于基于MBSE方法的智能化具有重要意义。
中图分类号:
于晗, 陈治源, 熊熙瑞, 戴原星, 蔡鸿明. 基于检索增强大语言模型的MBSE智能设计方法[J]. 图学学报, 2024, 45(6): 1188-1199.
YU Han, CHEN Zhiyuan, XIONG Xirui, DAI Yuanxing, CAI Hongming. Intelligent MBSE design approach based on retrieval augmented large language model[J]. Journal of Graphics, 2024, 45(6): 1188-1199.
语法元素 | 描述 |
---|---|
bdd | 块定义图,用以说明系统结构的信息,其中显示的模型元素(模块、执行者、值类型、约束模块、流说明、接口)都是其他模型元素的类型 |
package | 包,用以说明系统中的包结构 |
block | 模块,用以说明系统结构的基本单元,包含模块名称、约束属性、值属性 |
constraints | 约束属性,代表模块值的约束,通常是数学关系 |
表1 SysML语法规则键值对示例
Table 1 Examples of key-values for SysML grammar rules
语法元素 | 描述 |
---|---|
bdd | 块定义图,用以说明系统结构的信息,其中显示的模型元素(模块、执行者、值类型、约束模块、流说明、接口)都是其他模型元素的类型 |
package | 包,用以说明系统中的包结构 |
block | 模块,用以说明系统结构的基本单元,包含模块名称、约束属性、值属性 |
constraints | 约束属性,代表模块值的约束,通常是数学关系 |
方法 | 视图平均 | |||
---|---|---|---|---|
元素数量 | Recall | Precision | F1 | |
LLM | 11.7 | 0.362 | 0.268 | 0.279 |
LLM+case | 12.6 | 0.542 | 0.417 | 0.449 |
LLM+case+object | 30.8 | 0.787 | 0.633 | 0.673 |
MbseLLM | 28.3 | 0.786 | 0.663 | 0.697 |
表2 方法在视图级的建模结果准确性
Table 2 Modelling accuracy of four approaches on view layer
方法 | 视图平均 | |||
---|---|---|---|---|
元素数量 | Recall | Precision | F1 | |
LLM | 11.7 | 0.362 | 0.268 | 0.279 |
LLM+case | 12.6 | 0.542 | 0.417 | 0.449 |
LLM+case+object | 30.8 | 0.787 | 0.633 | 0.673 |
MbseLLM | 28.3 | 0.786 | 0.663 | 0.697 |
方法 | 项目 元素 数量 | Recall | Precision | F1 |
---|---|---|---|---|
LLM | 31.3 | 0.096 | 0.085 | 0.090 |
LLM+case | 41.1 | 0.469 | 0.316 | 0.378 |
LLM+case+object | 52.2 | 0.816 | 0.432 | 0.565 |
MbseLLM | 65.6 | 0.967 | 0.407 | 0.573 |
表3 方法在项目级的建模结果准确性
Table 3 Modelling accuracy of four approaches on project layer
方法 | 项目 元素 数量 | Recall | Precision | F1 |
---|---|---|---|---|
LLM | 31.3 | 0.096 | 0.085 | 0.090 |
LLM+case | 41.1 | 0.469 | 0.316 | 0.378 |
LLM+case+object | 52.2 | 0.816 | 0.432 | 0.565 |
MbseLLM | 65.6 | 0.967 | 0.407 | 0.573 |
建模阶段 | 阶段 视图 数量 | 视图平均 | ||
---|---|---|---|---|
Recall | Precision | F1 | ||
需求图 | 17 | 0.886 | 0.854 | 0.870 |
模块定义图 | 20 | 0.723 | 0.504 | 0.594 |
内部模块图 | 23 | 0.622 | 0.456 | 0.526 |
活动图 | 18 | 0.900 | 0.591 | 0.714 |
参数图 | 12 | 0.363 | 0.289 | 0.321 |
表4 MbseLLM方法不同建模阶段的视图准确性
Table 4 Modelling accuracy in different modeling stages of the MbseLLM method
建模阶段 | 阶段 视图 数量 | 视图平均 | ||
---|---|---|---|---|
Recall | Precision | F1 | ||
需求图 | 17 | 0.886 | 0.854 | 0.870 |
模块定义图 | 20 | 0.723 | 0.504 | 0.594 |
内部模块图 | 23 | 0.622 | 0.456 | 0.526 |
活动图 | 18 | 0.900 | 0.591 | 0.714 |
参数图 | 12 | 0.363 | 0.289 | 0.321 |
[1] | BOLSHAKOV N, BADENKO V, YADYKIN V, et al. Cross-industry principles for digital representations of complex technical systems in the context of the MBSE approach: a review[J]. Applied Sciences, 2023, 13(10): 6225. |
[2] | APVRILLE L, DE SAQUI-SANNES P, VINGERHOEDS R. An educational case study of using SysML and TTool for unmanned aerial vehicles design[J]. IEEE Journal on Miniaturization for Air and Space Systems, 2020, 1(2): 117-129. |
[3] |
闫佳宁, 张安, 黄湛钧, 等. 基于SysML的民机系统功能设计方法及应用[J]. 图学学报, 2024, 45(2): 277-283.
DOI |
YAN J N, ZHANG A, HUANG Z Y, et al. Function design method and application of civil aircraft system based on SysML[J]. Journal of Graphics, 2024, 45(2): 277-283. (in Chinese)
DOI |
|
[4] | CHEN L, ZHOU Y Y, HUANG C L, et al. Parametric optimization of vortex generator configuration for flow control in an intake duct for waterjet propulsion[J]. Ocean Engineering, 2023, 281: 114908. |
[5] | PEER J, MORDECAI Y, REICH Y. NLP4ReF: requirements classification and forecasting: from model-based design to large language models[C]// 2024 IEEE Aerospace Conference. New York: IEEE Press, 2024: 1-16. |
[6] | DARM P, MARCHETTI F, GARCIA G, et al. Leveraging language models semantic similarity capabilities to facilitate information reuse in system engineering[C]// The 74th International Astronautical Congress. Baku: IAF, 2023: 1-9. |
[7] | JIN Q, YANG P, WANG T, et al. Papyrus SysML-based model validation extension[C]// 2022 2nd Conference on High Performance Computing and Communication Engineering. Harbin:SPIE, 2023, 12605: 406-411. |
[8] | TAO F, MA X, LIU W, et al. Digital engineering: state-of-the-art and perspectives[J]. Digital Engineering, 2024, 1: 100007. |
[9] | SHOSHANY-TAVORY S, PELEG E, ZONNENSHAIN A. Conceptual design support by MBSE: established best practices[EB/OL]. [2024-07-01]. https://link.springer.com/referenceworkentry/10.1007/978-3-030-93582-5_84. |
[10] | ZHANG X, WU B, ZHANG X,, et al. An effective MBSE approach for constructing industrial robot digital twin system[J]. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 2023, 80: 102455. |
[11] | ABUAL-HAIJA Q. SysML-based design of autonomous multi-robot cyber-physical system using smart IoT modules: a case study[M]// Machine Learning Techniques for Smart City Applications:Trends and Solutions. Cham: Springer International Publishing, 2022: 203-219. |
[12] | MONTORI F, TATARA M S, VARGA P. Dynamic execution of engineering processes in cyber-physical systems of systems toolchains[EB/OL]. [2027-07-01]. https://doi.org/10.1109/TASE.2024.3362132. |
[13] | KLYKKEN T E. A case study using SysML for safety-critical systems[D]. Oslo: University of Oslo, 2009. |
[14] | PARTHASARATHI H, RAMACHANDRA S, SRINIVASAMURTHY P N. Model‐based systems engineering for aero gas turbine engine subsystems[J]. INCOSE International Symposium. 2016, 26(s1): 70-82. |
[15] | BRUGGEMAN ALMRM, LA ROCCA G. From requirements to product: an MBSE approach for the digitalization of the aircraft design process[J]. INCOSE International Symposium. 2023, 33(1): 1688-1706. |
[16] |
马彦丽, 张继忠, 郝冀斌, 等. 基于MBSE的柴油机系统设计建模方法[J]. 图学学报, 2024, 45(2): 355-362.
DOI |
MA Y L, ZHANG J Z, HAO J B, et al. Modeling method for design of diesel engine system based on MBSE[J]. Journal of Graphics, 2024, 45(2): 355-362. (in Chinese)
DOI |
|
[17] |
粟华, 方施喆, 田昆效, 等. 基于MBSE的地空导弹总体方案设计[J]. 图学学报, 2024, 45(2): 268-276.
DOI |
SU H, FANG S Z, TIAN K X, et al. Conceptual design of surface-to-air missile based on MBSE[J]. Journal of Graphics, 2024, 45(2): 268-276. (in Chinese)
DOI |
|
[18] |
朱伊明, 张玉珠, 陈斌, 等. 基于MBSE的空间引力波探测系统指标管理及其探测灵敏度分析[J]. 图学学报, 2024, 45(2): 259-267.
DOI |
ZHU Y M, ZHANG Y Z, CHEN B, et al. Space gravitational wave detection parameter management and performance analysis based on MBSE[J]. Journal of Graphics, 2024, 45(2): 259-267. (in Chinese)
DOI |
|
[19] | 李戈, 彭鑫, 王千祥, 等. 大模型: 基于自然交互的人机协同软件开发与演化工具带来的挑战[J]. 软件学报, 2023, 34(10): 4601-4606. |
LI G, PENG X, WANG Q X, et al. Challenges from LLMs as a natural language based human-machine collaborative tool for software development and evolution[J]. Journal of Software, 2023, 34(10): 4601-4606. (in Chinese) | |
[20] |
蒋灿, 郑哲, 梁雄, 等. 大语言模型驱动的交互式建筑设计新范式——基于Rhino7的概念验证[J]. 图学学报, 2024, 45(3): 594-600.
DOI |
JIANG C, ZHENG Z, LIANG X, et al. A new interaction paradigm for building design driven by large language model: proof of concept with Rhino7[J]. Journal of Graphics, 2024, 45(3): 594-600. (in Chinese)
DOI |
|
[21] | BASHATAH J, SHERRY L. Prompt engineering to classify components of standard operating procedure steps using large language model (LLM)-based chatbots[C]// 2024 Integrated Communications, Navigation and Surveillance Conference. New York: IEEE Press, 2024: 1-8. |
[22] | CÁMARA J, TROYA J, BURGUEÑO L, et al. On the assessment of generative AI in modeling tasks: an experience report with ChatGPT and UML[J]. Software and Systems Modeling, 2023, 22(3): 781-793. |
[23] | LONGSHORE R, BELL R, MADACHY R. Leveraging generative AI to modify and query MBSE models[R]. Acquisition Research Program, 2024. |
[24] | FUCHS J, HELMERICH C, HOLLAND S. Transforming system modeling with declarative methods and generative AI[C]// AIAA SCITECH 2024 Forum. Orlando: AIAA, 2024: 1054. |
[25] | FENG Z, GUO D, TANG D, et al. CodeBERT: a pre-trained model for programming and natural languages[C]// Findings of the Association for Computational Linguistics:EMNLP 2020. Kerrville: Association for Computational Linguistics, 2020: 1536-1547. |
[26] | BI X, CHEN D, CHEN G, et al. DeepSeek LLM: scaling open-source language models with long termism[EB/OL]. [2024-05-21]. https://arxiv.org/html/2401.02954v1. |
[27] | 刘建国, 张志远, 戴原星, 等. 喷水推进技术发展综述[J]. 船舶, 2023, 34(6): 1-13. |
LIU J G, ZHANG Z Y, DAI Y X, et al. State of the art review of waterjet propulsion technology[J]. Ship & Boat, 2023, 34(6): 1-13. (in Chinese) |
[1] | 徐沛, 黄凯奇. 大模型引导的高效强化学习方法[J]. 图学学报, 2024, 45(6): 1165-1177. |
[2] | 陈晓皎, 束云峰, 汪睿涵, 周佳欢, 陈为. 大语言模型驱动的UI评估系统[J]. 图学学报, 2024, 45(6): 1178-1187. |
[3] | 许璟琳, 彭阳, 欧金武, 谈骏杰, 舒江鹏, 余芳强. 融合大模型和数字孪生的公共建筑智慧运维系统[J]. 图学学报, 2024, 45(6): 1200-1206. |
[4] | 蒋灿, 郑哲, 梁雄, 林佳瑞, 马智亮, 陆新征. 大语言模型驱动的交互式建筑设计新范式——基于Rhino7的概念验证[J]. 图学学报, 2024, 45(3): 594-600. |
[5] | 周磊晶, 张雨昕, 雷睿, 申奥怡. 铜凿剪纸风格化方法研究[J]. 图学学报, 2024, 45(1): 126-138. |
[6] | 胡文恺, 马鸿宇, 刘亚醉, 魏小东, 赵罡, 申立勇, 李新 . T 样条用于计算机辅助设计、分析和制造的 新型表示方法 [J]. 图学学报, 2022, 43(6): 1018-1033. |
[7] | 宗立成, 王娜娜 . 计算机辅助青铜器纹饰特征线识别方法研究[J]. 图学学报, 2020, 41(6): 1018-1023. |
[8] | 宗立成. 产品情感配色的计算机辅助设计及其评价方法[J]. 图学学报, 2018, 39(4): 623-628. |
[9] | 姚亚洲, 谢劲松, 范树迁. 骨组织支架的计算机辅助设计方法综述[J]. 图学学报, 2016, 37(3): 367-376. |
[10] | 朱 彬, 金权东, 王燕涛. 一种实用高效的车线生成算法[J]. 图学学报, 2016, 37(1): 14-19. |
[11] | 柳 伟, 叶福田, 万友浩, 周雄辉. 面向汽车覆盖件的拉延模快速设计及其实现[J]. 图学学报, 2015, 36(6): 846-855. |
[12] | 许璟琳, 郑国磊, 王 勃. 基于GB/T 24734 的三维尺寸快速标注技术[J]. 图学学报, 2013, 34(5): 138-142. |
[13] | 周 成, 邓雪原. 建筑协同设计的模型视图管理应用研究[J]. 图学学报, 2013, 34(2): 94-97. |
[14] | 张彦娥, Chulho Yang, 李 丽. 中美工程制图及CAD 系列课程及教育比较[J]. 图学学报, 2013, 34(2): 125-129. |
[15] | 张 波, 王 茁, 张佰正, 吴 磊. 深水非接触式磁耦合绞车设计方法的研究[J]. 图学学报, 2012, 33(1): 8-14. |
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