功能作用收集及其分類研究

蔣宇歡，陳 泳，黃 健，謝友柏＊

（上海交通大學機械與動力工程學院，上?！?00240）

功能作用收集及其分類研究

蔣宇歡，陳 泳，黃 健，謝友柏＊

（上海交通大學機械與動力工程學院，上海200240）

概念設計的一大任務是為預想的功能尋找可行原理解.在計算機輔助概念設計研究中，通常需要對已知原理解的功能進行規范化表示，使得計算機輔助概念設計系統可以幫助設計員高效準確地找到可行原理解.功能作用是功能表示中的重要組成部分，目前功能作用大多采用自然語言表達，存在不利于計算機輔助概念設計系統識別和處理的問題.為解決上述問題，基于中文詞典對及物動詞的解釋和定義，搜集并規范處理了與概念設計相關的功能作用.根據功能作用的本質特征，提出了功能作用的標準分類框架和具體分類框架，并初步建立了規范化的功能作用庫.為實現對功能作用的規范管理，開發了功能作用的計算機管理模塊.通過功能作用的規范化，可以為產品功能表示的規范化、原理解的精準檢索等研究提供堅實的基礎.

功能作用；功能動詞；功能表示；功能本體

在產品設計中，概念設計通常被認為是將用戶需求或預想的功能轉化為可行原理解的過程［1］.概念設計在很大程度上決定了產品的功能、成本、創新性［2］.由于概念設計研究在國內外得到了很大重視，也產生了一批有價值的研究成果，例如基于FBS（功能-行為-結構）的功能設計模型［3］、基于設計目錄的原理解方案［4］等.

計算機輔助概念設計是概念設計研究中的一大熱點.為了實現計算機輔助概念設計，必須對功能進行規范化的表示［5］.目前，功能表示主要有2種形式.一種是“輸入/輸出流（Input/Output Flow）”表示法，另一種是“動詞-名詞對（Verb-Noun Pair）”表示法［6］.“輸入/輸出流”表示法以Pahl和Beitz［1］對功能的定義為基礎，通過輸入/輸出流的變化來表示系統輸入流和輸出流之間的變化.例如，發電機的功能可以表示為：｛輸入：電能，輸出：機械能｝.這種表示法雖然沒有明確指明功能作用，但實際上蘊含著功能作用“轉化”.需要指出，許多功能難以用輸入/輸出流表示法表達.例如，杯子的功能，就很難準確定義其輸入/輸出流，因此難以被一般設計員接受.“動名-名詞對”表示法是采用動詞和對象（名詞）的組合來描述“做-什么”，其中動詞表示功能作用，對象表示作用的承受者（作用的客體），主體則默認為是待設計的產品或系統.例如，電風扇的功能可以表示為“吹動空氣”.這種表示法更接近自然語言，因而容易被一般設計員接受.但是，計算機在自然語言理解上存在困難，所以計算機輔助概念設計系統常常難以識別和處理其中包含的功能信息.本文的研究主要面向一般的設計員，因此以“動詞-名詞對”表示法作為研究工作的基礎.

為解決計算機在功能信息處理上的困難，國際上開展了關于功能作用規范化的研究.例如，Hirtz，Stone，Wood等人［7-8］在功能術語研究的基礎上，提出了“功能庫（Functional Basis）”的概念，將功能作用分為3個層級，第1層級包含分支、引導、連接、控制、轉化等8個類型，每個類型下又包含若干個子類型，并據此建立了“功能作用庫”.但是，這種功能作用的分類依然模糊.例如，“轉化”類功能作用，并不能指明是同一功能對象不同屬性的轉化還是不同功能對象種類的轉化.此外，由于中英文表達存在一定差異性，他們創建的功能作用庫并不能直接被用于計算機輔助概念設計系統中幫助國內設計員開展產品概念設計工作.

在中文詞語的相似性匹配方面，國內的學者開展了一些工作.劉群等人［9］提出了基于《知網》的詞匯語義相似度算法.梅家駒等人［10］編著了《同義詞林》，哈爾濱工業大學信息檢索實驗室在此基礎上完成了《哈工大信息檢索研究室同義詞詞林擴展版》.但是，這類研究更多地關注日常語義而不是設計功能的本質含義，因此并不能直接應用于功能表示和原理解檢索.例如，“探測”的本質中蘊含了“感知”，“探測”指探查某物（物體、輻射、信號等）是否存在，而“感知”指客觀事物通過感覺器官在人腦中的直接反應，這2種設計功能本質都是通過一定手段獲取相關對象的存在性信息，基本呈現了一致性.對于這樣的功能作用也需要進行規范處理，建立與其功能本質含義相同或相近的功能作用的關聯關系，以提高原理解檢索的效率和準確性.因此，實現功能作用的規范化和功能作用間匹配關系，用規范功能作用代替自然語言表示原理解的功能，是規范化功能表示的關鍵點之一，也是實現高效準確檢索原理解的重要保證.

為此，本文將通過收集功能作用、建立功能作用分類、建立功能作用間的對應關系并構建功能作用庫等工作，最終實現功能作用的規范化和功能作用間的匹配，為功能表示的規范化和原理解的高效準確檢索提供重要保證.

1　功能的概念與分類

1.1功能的概念

目前，對于功能定義的研究有諸多論述，但至今尚未形成一個完全統一的定義，功能在工程里仍是一個模糊的概念［11］.例如Pahl和Beitz［1］認為，功能是指一個系統的輸入和輸出之間以完成任務為目的的總的相互關系.Gero和Kannengiesser［12］則認為，功能是指產品的目的或用途，表明了這個產品是做什么的.而Suh［13］認為，功能是一種與設計解無關的需求，描述了產品的功能需要.

在本研究中，功能被認為是設計員心中對某個系統外部期望環境作用的抽象，以使客觀環境從不期望態（病態）向理想態轉變，或者阻止客觀環境惡化為不期望態（病態）［14］.例如，臺燈的功能是照亮房間，實際上是改變了房間的亮度，使房間由暗變亮.此外，水杯的功能是抑制水的外流，體現了阻止客觀環境惡化為不期望態的功能.在筆者過去的研究中［15］，功能概念特點主要有如下幾點：

1）功能一定涉及主體和客體.

2）功能涉及的狀態變化應該用客觀的狀態變量描述.

3）功能必須使用與解無關的方式來描述，而不涉及作用方式.

4）功能在本質上是對多個作用或行為的抽象.

1.2功能的分類

根據筆者過去對功能的研究［16］，功能可分為3種主要類型，分別是對象轉化型功能、過程轉化型功能和對象關系轉化型功能.

對象轉化型（Object Transformation）功能是指能將待設計系統不符合期望的輸入功能對象或輸入功能對象的狀態，通過轉化形成符合期望的輸出功能對象或使其處于理想狀態的功能.這類功能更關注待設計系統輸出的功能對象所處的最終態.例如，將電能轉化為動能意味著能量對象的種類發生了轉化.

過程轉化型（Process Transformation）功能是指能改變用戶感興趣過程（不僅僅是功能對象）的功能.這類功能更關注一段過程時間內待設計系統某一過程的變化.例如，加快鹽在水中的溶解速度，意味著鹽在溶解過程中，鹽的溶解速度這一屬性的值在不斷增加.

對象關系轉化型（Object Relation Transformation）功能是指能改變對象間關系的功能.這類功能更關注待設計系統輸出功能對象間的關系是否符合期望.例如，精煉食鹽意味著將食鹽從混合物中分離出來，形成了分離關系.

2　功能作用的收集與規范處理

作用（Action）是一個事物通過特定的方式直接改變另一事物，使得兩者中任意狀態變量發生變化［14］，體現了人或事物的一種動態變化，一般出現在作用主體后面，通常用動詞或動詞短語來描述.根據動詞后是否帶賓語，動詞可以分為及物動詞和不及物動詞，由于功能作用涉及功能對象的變化，因此功能作用顯然應該是及物動詞.在產品設計中，功能作用（Functional Action）是指能體現待設計系統的功能特征并表示功能對象變化的及物動詞.

中文語法中，詞匯不僅存在多詞性的現象，還存在多義詞、近義詞等現象.為了實現功能作用的規范化，本研究以《現代漢語詞典》［17］中的解釋和定義為標準，開展功能作用收集的相關工作.第1步，摘錄了動詞詞性的功能作用，例如，“切割”、“測量”、“壓縮”、“轉動”、“搬運”、“加熱”、“吹動”、“阻攔”、“裝配”、“分離”等.第2步，剔除不及物動詞，例如，“走”、“飛”、“跑”、“來”等.第3步，剔除詞意上不能被用于產品功能描述的功能作用，例如，“治理”、“收拾”、“整理”、“采納”等，形成了初步的功能作用清單.第4步，把含義相近的功能作用歸納為一組，例如，將“測定”、“測量”、“測算”、“測繪”、“測探”等含義相近的功能作用歸納為一組.第5步，綜合考慮功能表示準確性、含義和使用頻率等，在每組功能作用中選擇一個功能作用作為主功能作用，例如，在“測定、測量、測算、測繪、測探”功能作用組中選擇“測量”作為主功能作用.第6步，將同組的其他功能作用作為主功能作用的類似作用，根據含義近義度由高到低的順序依次排列.第7步，規范處理.部分功能作用表面上和主功能作用看似沒有聯系，但是功能本質卻是相似的.例如，前文分析的“感知”就和“測定、測量、測算、測繪、測探”功能作用組具有相似的功能本質.對于這樣的功能作用，定義其為主功能作用的關聯功能作用，形成和主功能作用的配對關系.這種經過規范處理后的功能作用組不僅增加了功能作用組的豐富度，還從本質上提高了功能表示的準確性，為準確高效地實現原理解檢索提供了保證.

通過對功能作用的收集和規范處理，最終形成了136組（包含552個功能作用）概念設計中與功能密切相關的功能作用.盡管如此，由于詞匯隨著社會的發展也在不斷更新，因此收集功能作用應該是一個持續性工作，以不斷提高功能作用庫的完整度.

3　功能作用分類

3.1標準分類框架

在功能分類和功能作用收集與規范處理的基礎上，將功能作用劃分為具有3級結構的標準分類框架，其框架結構見圖1.第1層級為3種主要類型，分別是：對象轉化型功能作用、過程轉化型功能作用和對象關系轉化型功能作用.

對象轉化型功能作用在第2層級中分為2類：對象種類轉化型和對象屬性轉化型.對象種類轉化型功能作用是指能轉化一個功能對象為另一個功能對象的功能作用，在轉化前后功能對象的種類發生了明顯變化.例如，“測量（物體長度）”意味著尺寸信息轉化為數值信息.對象屬性轉化型功能作用是指能轉化一個功能對象的屬性（或屬性值）的功能作用，在轉化前后功能對象的種類沒有發生明顯變化.例如，“移動（物體）”意味著物體的位置屬性值發生了變化.第3層級中，參考Pahl和Beitz［1］的觀點，將對象種類轉化型功能作用分為物料類對象種類轉化型、能量類對象種類轉化型和信息類對象種類轉化型，將對象屬性轉化型功能作用分為物料類對象屬性轉化型、能量類對象屬性轉化型和信息類對象屬性轉化型.

圖1　功能作用標準分類框架圖Fig.1 The standard taxonomy of functional actions

過程轉化型功能作用在第2層級中分為2類：過程促進型和過程抑制型.過程促進型功能作用是指能促使一個過程向理想態轉化的功能作用.例如，“加速（鹽溶解）”意味著促進鹽溶解速度加快這一過程.抑制過程型功能作用是指能阻止一個過程向不期望態（病態）惡化的功能作用.例如，“保鮮（食物）”意味著阻止食物的腐敗這一過程.第3層級中，參考Pahl和Beitz［1］的觀點，將過程促進型功能作用分為物料類過程促進型、能量類過程促進型和信息類過程促進型，將過程抑制型功能作用分為物料類過程抑制型、能量類過程抑制型和信息類過程抑制型.

對象關系轉化型功能作用在第2層級中分為2類：個體間關系型和集體間關系型.個體間關系型功能作用是指能使單一輸出功能對象的關系符合期望的功能作用.例如，“裝配（產品）”意味著輸出對象為一個產品，其中的零件形成了組合關系，并不涉及其他輸出功能對象.集體間關系型功能作用是指能使多個輸出功能對象的關系符合預期的功能作用.例如，“分離（鹽和砂）”意味著輸出對象為一堆鹽和一堆砂，形成了分離關系.第3層級中，參考Pahl和Beitz［1］的觀點，將個體間關系型功能作用分為物料類個體間關系型、能量類個體間關系型和信息類個體間關系型，將集體間關系型功能作用分為物料類集體間關系型、能量類集體間關系型和信息類集體間關系型.

功能作用的標準分類框架能有效排除功能作用的歧義性，明確抽取了功能作用的本質特征，體現了功能作用的根本特點.

3.2具體分類框架

盡管功能作用的標準分類框架有諸多優點，但標準分類框架相對抽象，難以與具體的功能作用直接聯系.例如，洗衣機的功能是“分離污物與衣服”，“分離”屬于物料類集體間關系型功能作用，具體體現為：｛輸入：污物的位置屬性值=衣服的位置屬性值，輸出：污物的位置屬性值≠衣服的位置屬性值｝.因此有必要在標準分類框架的基礎上對功能作用建立具體化的分類框架.為了方便讀者區分標準分類框架和具體分類框架，本文將標準分類規定為“××型”，而具體分類規定為“××類”.

在物料類對象種類轉化型功能作用中，一般包含物態轉化中固態、液態、氣態三態之間的轉化，在能量類對象種類轉化型功能作用中，一般包含機械能、電能、光能、化學能、熱能等能量之間的轉化，在信息類對象種類轉化型功能作用中，一般包含長度、溫度等物理信息的轉化以及氣味、激素等化學信息的轉化.在物料類對象屬性轉化型功能作用中，一般包含角度、溫度等狀態屬性的轉化以及流動性、溶解性等物化特性的轉化.每一層級分類之下又可包含若干個子層級，直至實現抽象知識的具體化，由于篇幅的限制，在此無法一一說明.

需要指出的是：一是具體分類框架是標準分類框架的具體化，其分類層級帶有一定的主觀性，當現有的具體分類框架不能滿足分類要求時，可以根據實際情況增加對應級別的層級；二是根據具體情況的不同，不同的分類層級可能會包含相同的某一個（或一組）功能作用，例如，“加速”既可以視為物料類對象屬性轉化型中狀態屬性類的轉化，也可以視為物料類過程促進型中狀態屬性類的轉化，前者側重表示的是物料的速度值加快到某一值，例如使（汽車）加速到80km/h，而后者表示促進速度加快的過程，例如加速（鹽溶于水）的過程.

3.3功能作用庫的建立

在已有功能作用分類框架基礎上，建立了功能作用庫.第1步，通過功能作用的收集與規范處理，獲取一組經過規范處理的功能作用.第2步，判斷該組功能作用是否有合適的分類，如有，進行第3步，如沒有，創建合適的具體分類后進行第3步.第3步，將該組功能作用的主功能作用添加至對應分類.第4步，添加與主功能作用對應的關聯功能作用，并建立兩者之間的對應關系.第5步，添加與主功能作用對應的功能作用類似作用并劃分類似作用層級，并建立兩者之間的對應關系，其中，第1層級代表高度相似，第2層級代表較相似，第3層級代表基本相似.通過重復執行上述過程完成了功能作用庫的建立.例如：首先獲取一組功能作用“測量、感知、測定、識別、測繪、測算、探測”；其次，判斷其屬于“對象轉化型-對象種類轉化型-信息類對象種類轉化型-物理信息轉化類-長度”分類層級中；再次，將主功能作用“測量”添加到該分類層級中，并建立關聯功能作用“感知”與其的對應關系；最后，將“測定、識別”劃為功能作用類似作用的第1層級，“測繪、測算”劃為第2層級，“測探”劃為第3層級，并建立與主功能作用的對應關系.

根據上文的論述，這里給出一個功能作用分類及其作用庫建立的初步結果，見表1.需要說明的是，由于篇幅的限制，該結果的具體分類框架和所包含的功能作用及其類似作用并不完整，讀者可自行修訂.

表1　部分功能作用分類及功能作用庫Table 1 A part of functional action taxonomy and library

4　實 現

為了高效規范地管理功能作用，實現功能作用分類及作用庫的創建，本文采用Microsoft Visual Studio 2010［18］和Microsoft SQL Server 2008［19］相結合的開發環境，開發了瀏覽器/服務器（B/S）架構的功能作用管理原型模塊.功能作用管理原型模塊共有3個功能子模塊.第一，功能作用分類管理子模塊.可以搭建功能作用標準分類框架和具體分類框架，其結果以樹狀列表的形式顯示，并可以實現對分類條目的編輯與刪除.第二，功能作用管理子模塊.可以添加功能作用到對應分類，其結果以列表的形式顯示，并可以實現對功能作用及其分類的編輯與刪除.第三，功能作用配置子模塊.可以實現對主功能作用的關聯功能作用和類似功能作用的配置，其結果以列表的形式顯示，并可以實現對關聯功能作用和類似功能作用的編輯與刪除.該模塊的開發為后續原理解檢索等工作的開展提供了基礎，模塊的典型功能子模塊界面如圖2所示.

圖2　典型功能子模塊界面Fig.2 Some typical sub-functional module interfaces

5　結論與展望

鑒于功能作用規范化在產品功能表示、原理解檢索等方面的重要意義，本研究將功能分為了“對象轉化型”、“過程轉化型”、“對象關系轉化型”三種主要類型；收集了功能作用，并對功能作用進行了規范處理；建立了功能作用的標準分類框架，并進一步提出了功能作用的具體分類框架；同時，初步建立了功能作用庫.此外，為了便于功能作用的管理以及后續檢索等相關工作的開展，開發了功能作用管理原型模塊.

功能作用的收集及其規范化研究尚在探索階段，本文內容只是涉及整個規范化功能表示探索過程中的一部分，對于如何規范功能對象的表示等問題尚在進一步探究中.另外，還需以規范化的功能表示為基礎開展關于原理解檢索的相關研究.

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Research on functional action collection and taxonomy

JIANG Yu-huan，CHEN Yong，HUANG Jian，XIE You-bai＊
（School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China）

One of the significant tasks of conceptual design is to search for feasible principle solutions for an intended function.In the research of computer aided conceptual design，in order for a computer-aided conceptual design system to assist designers in retrieving feasible principle solutions effectively and accurately，the function of a known principle solution usually should be represented with a structured form.A functional action is an important part of a functional representation.In current research，functional actions are usually represented with natural language-based descriptions，which are difficult for a computer-aided conceptual design system to identify and process.In order to solve the above problems，based on the explanation and definition of transitive verbs in the Chinese dictionary，functional actions which related to the conceptual design were collected and normalized.According to the substantive characteristics of functional actions，the standard taxonomy framework and the specific taxonomy framework of functional actions were put forward，and a preliminary structured functional action library was formed.In order to realize the normalized management of functional actions，a management module was developed.The normalized functional actions can provide a solid foundation for the normalization of functional representation，the accurate retrieval of the principle solution and other research.

functional action；functional verb；functional representation；functional ontology

TH 122

A

1006-754X（2016）02-0101-07

10.3785/j.issn.1006-754X.2016.02.001

2016-01-29.本刊網址·在線期刊：http：//www.journals.zju.edu.cn/gcsjxb

國家自然科學基金資助項目（51375301）.

蔣宇歡（1990—），男，寧夏銀川人，碩士生，從事系統模塊功能表示與檢索方法研究，E-mail：331058946@sjtu.edu.cn.通信聯系人：陳泳（1975—），男，浙江杭州人，副教授，博士，從事系統化的設計方法學、概念設計、設計知識工程、設計哲學等研究，E-mail：mechenyong@sjtu.edu.cn.http：//orcid.org/0000-0003-3798-6291謝友柏＊，男，中國工程院院士，從事機械學設計及理論、摩擦學等研究，E-mail：ybxie@mail.sjtu.edu.cn.