面向概念设计的科学效应库研究*

唐 昊，李翔龙，陈加才(四川大学机械工程学院四川省创新方法与创新设计重点实验室，四川 成都 610065)

0 引言

概念设计是产品设计的核心，其对设计人员约束最小，最能体现设计者的经验、智慧和创新能力，整个设计的创新性在概念设计阶段得以体现[1]。概念设计因其困难和复杂性需要设计者在构思新产品概念时需要更多的跨学科的知识结构、更复杂的技术支撑和更完善的创新理论。科学效应是由于某种动因而产生的一种特定的科学现象，包括物理效应、化学效应、生物效应及几何效应等，它们构成了各学科领域的基础科学知识。

科学效应库是各学科效应的集合，是计算机辅助创新系统中的一个重要组成部分，如美国Invention Machine公司的Goldfire软件[2]以及英国Oxford Creativity公司开发的Oxfordtriz辅助创新网站[3]，国内如文献[4]和文献[5]提出的科学效应库系统构建等。上述效应库存在的问题是：效应库中功能与效应的对应关系缺失，即功能与效应之间没有明确的映射关系，将效应依据功能归纳分类完全是依靠研究人员自己的主观思维来划分，所以划分的准确度和完整度完全是取决于研究人员自身的知识储备，这就会导致遗漏掉效应的部分功能，这些不常见或隐藏的功能正是该效应对于其他领域的功能应用，而这正是多学科知识融合创新的关键。本文通过分析效应在概念设计过程中的作用，研究了功能、效应和行为之间的关系，建立了功能与效应之间的映射关系，描述了科学效应库的构建方法和效应库实例。

1 概念设计理论

1.1 概念设计过程建模

实现概念设计首先需要建立过程模型，以描述完成概念设计所需的工作步骤。功能-行为-结构(Function-Behaviour-Structure，FBS)模型是由悉尼大学Gero提出的[6]。该模型描述的是功能与结构必须通过行为才能建立联系，将概念设计看作是从功能向行为再向结构映射的过程，此模型更符合人类设计的思维习惯，有利于产品创新。其中功能即该产品所具有的特性，是设计要达到的目的，行为是对功能实现的客观描述，也反应所期望的与功能对应的结构所表现出的特性，结构是实现功能的物质实体[7]。概念设计的主要任务是将产品的功能分解成基本的子功能，并由相应的结构来实现各个子功能。而在FBS模型中行为则描述了完成功能所执行的动作，表明“结构如何实现功能”这一关系[8]。功能建模、行为建模和结构建模是概念设计中的三个核心过程。如图1所示，功能设计是从需求模型中提取抽象的功能进行分解，构建功能元和功能结构。行为设计是寻找实现该功能的科学原理和方法，构思实现该功能的行为，即F-B映射。结构设计是寻找能产生该行为的特定结构系统，能实现该功能的预期结构，即B-S映射。各设计层将产生各自的集合，其共同组成该概念设计的方案集。

图1 基于FBS的概念设计过程

1.2 科学效应与FBS模型

在FBS模型的设计过程中，行为设计是连接功能与结构的桥梁，是整个设计过程最核心的部分，它是完成原理创新的关键过程，行为设计对创新设计尤为重要，即F-B映射尤为关键。在基于FBS的设计中，功能表达“做什么”，是行为的目的；行为表达“如何去做”，是功能的实现原因[9]。即行为可理解为实现功能的原理。科学效应是由于某种动因而产生的一种特定的科学现象，包括物理效应、化学效应、生物效应及几何效应等，它们由各种科学原理组成，是构成各种领域知识的基本科学知识。因此，行为通过科学效应得以体现。

依据行为与科学效应的联系，在FBS模型的基础上，FE(Function-Effect)模型或FEB(Function-Effect-Behavior)模型能通过效应完成F-B映射过程[10]。图2为FEB模型示意图。首先从需求模型中抽象出功能，并进行分解，得到适用于设计中功能的通用化描述的功能基，构建功能基结构，并寻求相应的科学效应，从而提取出行为，实现从功能到行为的映射过程。在该模型中，实现功能设计和行为设计能为产品功能寻求更新颖的行为原理解。

图2 FEB模型

2 效应库的构建原理

2.1 FE映射模型

在上述FEB模型的设计过程中，功能基到效应的映射过程缺乏实质的系统映射模型。为明确效应与功能之间的映射关系，提出了一个功能-特征-效应(Function-Feature-Effect，FEE)映射模型。图3为功能-效应映射模型的示意图，该映射模型的核心思想为通过提取效应和功能的通用特征来建立两者之间的映射关系。效应通过效应分析模型和效应特征表提取出该效应的通用特征集，而功能特征表则是对功能(功能基)的通用特征提取集合，效应特征集和功能特征表则通过通用特征实现对应关系，从而实现功能与效应的映射关联。该模型的提出完善了FE模型，效应与功能的关联有了系统的依据，基于FFE映射模型建立的科学效应库能为设计者在概念设计阶段提供更多更全面的原理解。

图3 FFE映射模型

2.2 效应分析模型

科学效应由某种动因或原因所产生的一种特定的科学现象，是对已存在定律的总结，也就是按照定律规定的原理将输入量转化为输出量，实现相应的功能。效应实现过程的实质就是物质、能量和信号的转化，即从输入流转化到输出流的过程。效应分析模型就是基于此对效应的输入量和输出量作出系统的分析。图4是效应分析模型示意图。输入量和输出量的对象为物质、能量和信号，这里将能量和信号合并为场，即输入/输出量由物质和场来表示。通过该模型，效应可表述为输入物质在输入场的作用下产生输出物质和输出场。对于输出，输出物质和输出场可细分为两种输出形式，即新物质/场和原物质/场的变化。在应用该模型时，输出物质或输出场至少有一个。效应分析模型可作为所有效应的一种通用分析模式，通过该模型可提取出效应的输入输出特征。

图4 效应分析模型

2.3 效应特征表

效应特征表是根据效应分析模型中的输入/输出量对象而建立的，是对物质和场的类别和属性的总结归纳，即建立一个针对物质和场的通用特征表。物质的特征表包括了物质的类别和属性的通用特征归纳，其中类别的划分在物质三相态的基础上加入了等离子体/微粒和特殊物质。图5为物质属性的部分特征归纳表，物质属性包括有运动、几何、物理、化学等属性项，每一项中包含不同数量的属性特征。场的特征表主要是对场类别的归纳总结，有包括机械场、电磁场、振动场、热场、放射场和嗅觉场等类别，场的变化主要为场的增强/叠加和削弱/消耗。通过效应分析模型和效应特征表可将效应的特征进行提取，如对压电效应进行分析可得：输入场—机械场；输入物质—压电材料；输出场(新场)—电场，输出场(变化)—机械场消耗；输出物质—无。据此压电效应可提取出两个效应特征，即产生电场和消耗机械场。

图5 效应物质属性的部分特征表

2.4 功能特征表

功能的概念贯穿了整个概念设计过程，整个概念设计过程就是围绕如何满足需求的产品功能而进行的设计过程，所以功能的表示是支持概念设计的关键因素。德国学者Paul和Beitz将功能定义成能量、物质和信号的输入输出关系，用能量流、物质流和信息流的转换来表达功能，此定义很大程度上揭示了功能的本质。然而此种表达方式对设计人员是非常不友好，通用使用动词+名词的方式来表示功能，如产生电场、移动固体等，此种表示方式直观易懂。

为方便设计人员，功能的表示采用动词+名词的方式，其中名词包括物质、能量和信号，将其描述标准通用化，形成功能基(表达上层所有功能的最小功能集合)。这方面有学者做了许多研究，如Hirtz等人对功能分类进行了总结、区分和对比，建立起一个标准功能基词库[11]。在前人的基础上，作者进一步进行了归纳和分类。目前有功能动词：稳定、产生、分离、改变、冷却、加热、检测、混合、吸收、移动、传输等；物质名词：固体、气体、液体、等离子体/微粒、结构物质、分子/亚分子等；能量和信号名词：力、热、电、磁、核能、电磁波、温度、颜色、参数等。

功能特征表是基于功能的输入输出流转换关系来建立的，将其中的能量流和信息流合并为场，这样就与效应的分析模型得出的特征一致，如此功能特征表与效应特征集就可根据相同特征产生关联。功能特征表将所有功能基按照输入输出流的形式进行转换表述，即按照输入物质、输入场、输出物质和输出场的形式进行分析归纳，每个功能基至少有一个输入或输出流。表1为部分功能特征表。例如检测热场这一功能基，其按照输入输出流可提取出典型特征为：输入场—热场，具体该特征的科学效应有：热胀冷缩、热敏效应、热电效应、热光效应和热释电效应等，即上述效应具备检测热场的这一功能，即使目前某些效应还没有应用于检测温度，但从原理上来说其具备这一潜在功能。

表1 部分功能特征表

3 基于FE映射模型的科学效应库实现

3.1 科学效应的表示

科学效应库旨在为设计者提供完善的科学原理知识，在概念设计阶段为设计者提供创新性原理知识的帮助，所以效应知识的表达必须适应人阅读理解知识的习惯。效应知识按照知识的表征方式属于陈述性知识，是个人能用语言进行直接陈述的知识，这类知识主要用来回答事物“是什么”“怎么样”的问题。结合人理解该类知识的特点，效应的表示采用文字、符号、图片或动画等方式进行表征。效应的表示可划分为综合内容描述、逻辑内容描述、应用内容描述以及多媒体内容辅助，结合上述效应表示的结构，效应通过以下几个主要参数进行详细表述：

效应描述：对效应的内容进行概述，并对其原理进行简要说明；

应用条件：此项列举该效应应用的前提条件，如特殊材料、高温高压等等；

应用公式：某些效应具备完善的物理化学理论，即有其相应的物理公式或化学式；

参考数据：列举某些物质材料在此效应上的相关数据作为应用参考；

应用特点：阐述该效应的应用范围以及其能实现的功能作用和特点优势；

参考信息：列举上述各个方面的信息来源，包括论文和书籍等；

相关信息：概述此效应的研究发展和应用新进展，以及应用该效应的某些专利。

3.2 科学效应的分类

科学效应库涵盖了不同学科的原理知识，其分布是离散的。而效应库的目的是为了方便设计者查询，具体地说是方便设计者根据设计需求的功能来查询对应的效应原理，所以效应通过其可实现的功能基不同进行分类，可实现同一功能基的不同学科的效应知识集合，此种方式有利于设计者打破自身专业知识的局限和思维定势，使多学科知识融合创新成为可能。如此各领域的效应知识就系统地整合到了一起，科学效应库的构建实质就是对科学效应的合理归类。

图6 功能效应树示意图

由上可知，效应的功能分类是效应库构建的关键，而FFE映射模型为效应分类提供了系统的分类方法。概念设计中从功能到行为的求解过程：先进行功能分解和功能建模，再通过功能基寻求相应的效应，从中提取行为，完成行为建模。在上述过程中，顶层功能是从需求中提取的，是抽象的，一般的，通常以功能动词表示，如产生、移动。然后与流名词(物质、能量、信号)结合逐级向下分解，最后得到功能基组。基于此，效应库中的功能按树状结构排列，根节点为功能动词，最终子节点是功能基，树叶部分是功能基对应的科学效应。图6为功能效应树的示意图。

3.3 科学效应库的实现

目前作者已初步完成了科学效应库系统的构建，它是一个支持创新设计的Web平台中的一个模块。该系统是采用浏览器/服务器(Browser/Server，B/S)模式的三层体系结构，基于C#+SQLServer 2012实现的。整个效应库的系统结构分为用户界面层、逻辑功能层和数据管理层。用户界面层是效应库提供给设计者的界面窗口，使其可以方便地使用效应库；逻辑功能层主要实现效应库的各种功能，包括效应的显示、查询和维护等功能；数据管理层主要通过C#数据库连接接口完成对SQLServer数据库的操作。

效应的显示界面是效应库系统构建的关键点，其显示方式采用网页html格式，并设置所有效应显示的通用样式模板，不同效应显示时获取数据库中该效应的不同参数信息填充到样式模板中即可。效应显示主要包括：对效应的概要描述，效应的应用条件及应用公式，效应相关的参考数据，效应的应用特点，参考信息源以及效应的相关信息等。主要以文字为主、图片为辅来对效应进行综合表述。图7为效应的网页展示示例。

图7 效应网页展示图

3.4 用科学效应库支持创新设计

科学效应库系统在整个Web平台中主要通过以下两种方式来支持创新设计：

1)提供效应知识：效应库是一种知识库，作为创新设计资源为设计者直接提供各领域的效应知识，为技术创新提供丰富的原理知识。设计者可通过直接浏览或自动搜索等方式在效应库中获取所需的效应知识。

图8 效应库在产品设计中的 应用过程

2)支持概念设计：创新平台中有一基于FBS模型的新产品开发设计模块，效应库在该模块中提供功能与效应的映射关系，即根据功能分解的功能基自动生成对应的效应原理解矩阵。图8为效应库在新产品概念设计中的一般过程。在新产品开发过程中，设计者需首先确定产品需求，通过需求抽象出功能结构，并将其分解为功能基集合，按照功能基从效应库中查找到对应的效应原理集合，并对其进行原理验证，若该效应原理解不满足功能需求则需重新对需求进行分析或重新进行功能分解，若满足条件则生成功能原理解，从而实现了功能到行为的映射过程，最后可结合工程实例完成行为到结构的映射过程，实现整个FBS设计过程。

设计人员在产品开发的概念设计过程中，由于自身领域和知识的局限，不知道或只知道某一两种方法和原理来实现所需功能，但凭借少量的方法和原理不能满足产品设计的所有需求或不能达到创新设计的目的。解决这一设计困境的关键在于利用跨学科跨领域的知识交叉和综合，来解决某一特定领域的设计问题。以多学科知识融合为支撑进行概念设计是实现创新设计的突破点。科学效应库提供了以功能分类的多领域学科效应知识集合，可为设计者提供尽可能多的解决方法，是实现创新设计的有力支撑。例如，传统的制冷器(冰箱、空调等)的制冷原理是采用制冷剂的蒸发和冷凝与外界进行换热实现温度下降的。若采用其他科学效应原理对制冷原理进行创新，可在科学效应库中根据“冷却物质”这一功能进行检索，得到了“磁热效应，热声效应，热电效应，反斯托克斯效应”等，这些效应来自不同领域学科，且都与热能相关，可实现“冷却物质”这一功能。对这些效应进行分析提取行为，则可得到磁制冷、热声制冷、热电制冷、激光制冷等行为原理解，为制冷器的设计提供了原理创新的新方案。

4 结语

本文以概念设计的FBS理论为基础，详细论述了功能、效应与行为之间的关系，提出了一个功能与效应的映射模型，并基于此模型建立了一个初步的科学效应库系统。该效应库支持多学科知识交叉融合，可帮助设计者打破自身领域和知识的局限，效应库中大量的效应支持设计者于概念设计过程中提出高质量的创新设计方案。下一步的工作为完善FFE映射模型，并通过知识图谱等技术挖掘出功能与效应的联系。