基于功能主題鏈和功能本體的創新組合設計初探

李帥軍，賀華波，鄧益民

（1.寧波大學機械工程與力學學院，浙江寧波　315211；2.浙江省零件軋制成形技術研究重點實驗室，浙江寧波　315211）

基于功能主題鏈和功能本體的創新組合設計初探

李帥軍1，2，賀華波1，2，鄧益民1，2

（1.寧波大學機械工程與力學學院，浙江寧波315211；2.浙江省零件軋制成形技術研究重點實驗室，浙江寧波315211）

以實現功能創新組合為設計目標，對現有產品功能進行創新組合具有非常重要的實用價值.通過對典型多功能組合產品各分功能之間關系分析，引入功能主題鏈這一概念，構建不同產品之間功能主題鏈，以此為組合設計前提；提出基于功能本體的創新組合設計策略，利用功能本體知識庫，查找匹配各產品主要部件的功能語義，列出相同或相近的功能語義表述，以此為組合契合點.由功能-結構相互映射關系，實現已有產品功能到其結構的映射，在結構模型上進行組合設計，結合設計相關知識及聯系實際得到滿足社會和技術需求的創新組合產品模型.最后，用實例驗證了上述組合創新設計方法的可行性.

功能主題鏈；功能模型；功能本體；結構模型；組合設計

在當今企業競爭趨于白熱化的時代，創新成為企業生存的關鍵因素之一.創新技術途徑有3種類型，分別是原始創新、集成創新和消化吸收再創新.相較于前2種，消化吸收再創新則是短時間內更容易實現的創新方式［1-3］.事實上產品之間的組合設計也是建立在消化吸收再創新基礎上的創新，生活中大量產品能夠通過合理的組合達到創新的效果，這樣既能節約資源，也能給人們帶來更大的方便.

產品的概念設計是設計過程中最關鍵的階段，而設計者的創造性思維也集中體現在這一階段.有關概念設計方法的研究中，有大量關于功能與結構之間關系的研究.如：Qian，Gero以及Umeda等［4-6］人提出了“功能-行為-結構（FBS）”設計模型，構建了功能、行為、結構三個層次之間的相互映射關系，隨后Deng等人［7］在總結前人研究的基礎上建立了基于因果行為過程（CBP）的“功能-環境-行為-結構（FEBS）”模型.可見，分析不同產品功能之間關系，對實現結構上的組合設計具有重要的意義.

有關組合的概念，鄒慧君等［8］從產品創新設計理論和方法的角度，提出創新技法上的組合創新法和創新法則中的組合法則；陳亞琴等［9］在機構的組合創新設計中作了相關的研究，將其總結歸納成5類聯接模式，分別為串行、并行、混合、封閉式、疊加聯接模式，并提出了3種機構疊加方式以及具體的疊加途徑；孫守遷等［10］在產品創新過程中組合原理的相關概念方面作了詳細的研究，并針對基于組合原理的創新方法進行了3個層次的全面概括.這些研究的目的在于實現功能的創新組合，為功能創新提供了一定的理論基礎和方法基礎，但目前還缺乏針對任意產品之間組合設計的具體實施方法.可見，針對功能組合設計方法的研究還需不斷完善.

另一方面，目前有關組合設計的具體設計方法研究中，如可變功能機械基于功能-結構模型的設計變更［11］和可變功能機械行為鏈序相似性及應用［12］，此類設計大部分是在某一類產品功能、行為、結構、原理相似的基礎上實現的組合設計，這類研究能夠在一定程度上獲得滿足需求的可變功能機械系統設計方案，但具有局限性，容易使得設計者的創新思維受到局限.本文將針對這類問題，探索針對任意產品之間功能組合的創新組合設計思路.

1　可變功能機械組合設計

1.1功能組合設計關系模型

功能組合［13］是在保持各自原有的功能單元特性基礎上，以一定的原則或規律組合成綜合性能更加完善和合理的多樣化功能系統.

對多功能組合產品中涵蓋的多種子功能進行分析，設該組合產品綜合功能為U，它可分解成一些子功能，分解過程形式化為

即綜合功能由m個子功能Ui（i=1，2，…，m）組成.

多功能組合產品子功能之間在組合前都具有緊密關聯，功能之間的組合可依據功能之間時序關系分為并行組合、串行組合及混合型組合.本文作為對組合設計問題的初步探討，僅分析前2種情況.

1）并行組合關系.如圖1（a）所示，是指參與組合的功能單元之間不構成上下承接運行關系，具有并行進行功能運轉的組合方式.

2）串行組合關系.如圖1（b）所示，是指參與組合的功能單元之間具有上下承接關系的組合方式，具有串行進行功能運轉的組合方式.

圖1　功能組合關系模型Fig.1 Functional combination relationship model

1.2多功能組合設計分析

通過分析，對于并行組合關系，基于同一產品族是這類組合設計的最典型的特性.如圖2所示，多功能組合鉗，它是將老虎鉗、魚鱗鋸、開罐器、小刀、內六角、一字螺絲刀、十字螺絲刀、內六角等等同一產品族產品進行組合設計.類似的產品還有如多功能榨汁機、多功能微耕機、數控加工中心等等，其實現結構上具有某種程度的相似性，設計者容易實現其組合設計，而串行組合關系，還缺少合適方法對其進行組合設計.

事實上，串行組合產品功能之間存在一條緊密關聯的功能主題鏈，如市場上熱銷的勺子稱，如圖3所示.稱少量的物品時，先使用勺子功能舀起物品，后使用秤的功能進行稱量，這種功能上下承接的關系就形成了一條緊密關聯的功能主題鏈.該功能主題鏈是實現組合設計的前提，因此，可探索構建一種不局限于功能上下直接承接關系的任意不同產品之間功能主題鏈，以此為組合設計前提，并探索實現其組合的設計方法.

圖2　多功能組合鉗及多功能榨汁機Fig.2 Multi-function combination pliers and juicer

圖3　勺子秤Fig.3 The spoon combination weighing

2　功能主題鏈構建

2個不同的物體之間都存在某些共有的屬性，即使兩者之間并無直接聯系，但通過分析，總存在合適的主題鏈將兩者有效關聯.

關聯法：任何2個不同的物體，以其中之一為目標，另一個則為起始點，通過某一主題構建起兩者的聯系，通過中間關聯名詞不斷朝著目標方向關聯并最終到達目標.主題鏈模型如圖4所示.其中A為起始名詞，B為目標名詞，1至N為關聯名詞，起始名詞到目標名詞整個關聯過程稱之為主題鏈.例如蘋果和牛，以蘋果為目標，牛為起點，其主題鏈構建如圖5所示.關聯過程由牛關聯耕地再關聯種植蘋果樹，最后生產蘋果.

圖4　功能主題鏈模型Fig.4 Functional theme chain model

圖5　牛與蘋果之間的主題鏈Fig.5 The theme chain between apple and cattle

不同的設計者有不同的思維，因而，同樣的物體之間可能會有多種不同的關聯方式，因而會構建出多條不同的主題鏈.考慮到在實際的產品組合設計過程中的可能性及合理性，因此，在建立兩產品之間的功能主題鏈時設定如下規則：

規則1 功能主體鏈構建過程中須以產品之間功能緊密關聯為目標（功能主題鏈構建的目的在于建立產品的功能之間緊密聯系）.

規則2 關聯名詞之間須有必然的邏輯關系（即相鄰的名詞之間存在緊密的關聯，生活中易將其相互聯系）.

規則3 功能主題鏈取短原則.通常可設定中間關聯體不超過5，主題鏈越長兩者之間的關聯度越小，最后會失去組合設計的意義.功能主題鏈中間關聯名詞數大于或等于1，當無中間關聯名詞時，為直接關聯.

3　基于功能本體的創新組合設計方法

3.1功能本體

功能本體［14］被定義為一種既涵蓋功能術語又明確術語間規范關系的體系，其主要目標是尋求構建一種共同認可的功能領域知識體系，促進功能領域內知識共享.在功能本體知識庫中包含了該領域內各種共同認可的功能詞匯，在這些功能詞匯之間進行了不同層次和類別的劃分.

每個復雜系統所對應的功能模型都可分解為各個子部件對應的功能模型的組合形式，通過功能本體庫可以查找到各子部件的功能表述，實現功能的概念化，根據層次和類別的劃分便于找到同義、近義和反義的功能表述，如功能本體庫中“隔離”的近義表述為“分離”“隔開”等，而與之相反的語義表述為“接觸”“吸引”等.功能概念化語義表述對于從功能上進行創新設計具有重要意義.

3.2創新組合設計方法

基于功能主題鏈和功能本體的創新組合設計，其設計過程實質上是以產品功能分析為設計始發點，以功能本體及FBS相關理論為理論基礎，最終實現預定功能的組合；整個過程以構建功能主題鏈為組合設計前提，以功能本體知識拓展為創新組合設計思想，以功能-結構模型映射過程為組合基本操作路線，最終實現結構體的組合設計.圖6為組合設計基本流程圖.整個組合設計過程在產品功能之間滿足構建功能主題鏈規則前提下，分為如下5個步驟：

1）分解需組合的產品并列出各個主要子部件，查找功能本體知識庫，列出各產品的主要子部件所對應的功能語義表述，對比找出其中相同的或相近的語義表述.

圖6　創新組合設計流程圖Fig.6 Process flowchart of innovative combination design

2）構建產品功能-結構映射模型，將查找到的相同或相近的語義表述所對應的功能映射在各自的功能模型中并標記，將標記的功能模塊映射到結構模型中，并作相應的標記.

3）以標記的結構模塊為組合契合點，在結構模型上進行產品結構體的組合，得出產品的組合設計基本結構模型.

4）基于組合設計基本結構模型，聯系實際結合相關的設計知識完善設計，最終得出合理的組合設計結構模型.

5）將最后得到的組合設計產品進行功能和性能測試，若達到設計的預期目的，則組合設計成功，若無法滿足預期的要求，分析尋找組合失敗的原因，并按照基于功能本體的創新組合設計方法進行新一輪的組合設計.

圖7為創新組合設計模型，圖中產品1中主要部件1對應功能1，產品2中主要部件1′對應功能1′，查找功能本題知識庫，兩者功能語義表述相同，以此作為組合設計的發起層，基于FBS理論中功能-結構相互映射關系，分別將功能1與功能1′映射到各自產品的功能模型中，并由功能模型映射到產品結構模型上，獲取一組對應的結構模塊1與結構模塊1′，以此作為組合設計的執行層，在結構模型上進行組合設計，最后結合設計相關知識并聯系實際進行完善并得出最終的組合設計模型.

圖7　創新組合設計模型Fig.7 Innovative combination design model

4　創新組合設計實例

目前家用洗衣機和健身自行車被廣泛使用于家庭中.洗衣機能給人們在生活上帶來極大的方便，家用洗衣機主要工作原理是接通電源啟動電動機，經傳動機構帶動旋轉機構使洗衣桶旋轉運動，依靠洗衣桶底部的波輪正、反轉，帶動衣物上、下、左、右不停地翻轉，使衣物之間、衣物與桶壁之間，在水中柔和地摩擦，在洗滌劑的作用下實現去污清洗；健身車可以幫助工作繁忙的人們在家里也能得到鍛煉，健身車運轉原理主要由腳踏板連接驅動輪，通過傳動帶帶動飛輪旋轉.但兩者的功能單一，資源利用率低，且占用空間大，因此可嘗試將兩者進行有效創新組合設計.

按照基于功能本體的創新設計方法，首先對洗衣機及健身車構建功能主題鏈，建立兩者功能之間關聯，如圖8所示，該功能主題鏈將健身車和洗衣機功能緊密關聯，符合功能主題鏈構建規則.

圖8　健身車與洗衣機的功能主題鏈Fig.8 The theme chain between exercise bicycle and washing machine

基于以上的組合設計方法，對洗衣機和健身車進行分解，運用計算機輔助設計系統，在系統中輸入各分解后的主要部件.通過系統數據庫，如常用機構數據庫會以＜機構＞=＜名稱，類型，功能，詳細信息＞的形式顯示，各元素在數據庫中的表示：

通過在計算機輔助設計系統中輸入各主要部件獲取相應功能表述，列出相近的功能表述詞匯對應的部件.查找常用機構數據庫：在健身車中，部件飛輪顯示的功能表述如圖9所示；洗衣機中，連接洗衣桶的旋轉機構顯示的功能表述如圖10所示.

圖9　“健身車飛輪”的具體表述Fig.9 The specific expression on flywheel of exercise bicycle

圖10　“洗衣機旋轉機構”的具體表述Fig.10 The specific expression on rotating mechanism of washing machine

所以飛輪和旋轉機構的功能表述相同.將健身車中的飛輪和洗衣機中連接洗衣桶的旋轉機構映射到各自的結構模型中，并在結構模型中組合，通過聯系實際選擇將旋轉機構代替飛輪，即旋轉機構作為健身車和洗衣機公共構件，既不會改變健身車的功能，也不會影響洗衣機的正常運轉，有效地將兩者組合.整個設計過程模型如圖11所示，為進一步完善整個設計，在整個組合設計中增加電能轉換裝置，能夠將健身過程中產生的能量轉化為電能，使得健身過程所產生的能量得到充分利用.最終組合結構模型如圖12所示.

圖11　健身型洗衣機創新組合設計過程模型Fig.11 Innovative combination design process model of a fitness-type washing machine

圖12　健身型洗衣機結構模型Fig.12 Structure model of fitness-type washing machine

在基于功能本體的創新設計方法指導下實現健身車和洗衣機功能組合，其物理結構模型如圖13所示.組合后的健身型洗衣機在保持健身車及洗衣機原有功能的基礎上，可利用電源通電洗衣，在運動時健身車轉化的電能充足的情況下，也可使用轉化電能洗衣，實現了資源互補、節約能源、節約空間.將節能環保與健身緊密地結合在一起，在當今所倡導的能源節約型社會具有積極意義，更有利于激發人們的節能和健身意識，這樣的組合設計實現了真正意義上的創新組合.

圖13　健身型洗衣機Fig.13 Prototype of a fitness-type washing machine

5　結 論

通過不同產品的功能組合進行設計是實現組合創新的一個重要手段.本文提出基于功能主題鏈和功能本體的創新組合設計策略，通過構建不同產品之間功能主題鏈，建立功能之間的相互關聯，建立產品之間外在聯系；通過功能本體知識庫查找部件功能語義，對比相同或相近的語義表述，以此為組合契合點，基于功能-結構模型，最終實現結構上的組合設計，從而實現產品之間由外到內的創新組合設計.該方法具有很強的實踐指導意義，對功能單一的產品面向多功能組合設計奠定了一定的理論基礎.

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Investigation on innovative combination design based on function theme chain and function ontology

LI Shuai-jun1，2，HE Hua-bo1，2，DENG Yi-min1，2
（1.Faculty of Mechanical Engineering and Mechanics，Ningbo University，Ningbo 315211，China；2.Key Lab of Part Rolling Forming Technology of Zhejiang Province，Ningbo 315211，China）

It is of great practical importance to try to achieve design innovation by combining functions of existing products.By investigating the relationship between individual functions of some typical mechanical products with function combination，this paper proposed a concept called function theme chain，which was used to construct combination function from different products，and hence the function theme chain was used to establish the foundation of combination design.Subsequently，an innovative combination design method was proposed based on a function ontology. By using the knowledge library of function ontology，it attempted to extract same or similar function semantics from diverse products，together with their matching components，which offered the starting point for combination design.Specifically，the design process applied function to structure mapping to implement the synthesis from function to structure；thereafter，the combination design was implemented by configuration of structure model with the relevant design knowledge and designer practical experience，so as to deliver new innovative combination model that met social and technical requirements.Finally，a case study was also presented to illustrate the feasibility of the proposed methodology.

function theme chain；function model；function ontology；structure model；combination design

TH 122

A

1006-754X（2016）02-0124-06

10.3785/j.issn.1006-754X.2016.02.004

2015-12-30.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（51375246）.

李帥軍（1991—），男，江西上饒人，碩士生，從事機械設計與理論研究，E-mail：lishuaijunbest@163.com.通信聯系人：賀華波，副教授，博士，從事機械設計理論與方法等研究，E-mail：hehuabo@nbu.edu.cn. http：//orcid.org//0000-0002-2603-4538