面向概念設(shè)計的科學效應庫研究*

唐 昊，李翔龍，陳加才(四川大學機械工程學院四川省創(chuàng)新方法與創(chuàng)新設(shè)計重點實驗室，四川 成都 610065)

0 引言

概念設(shè)計是產(chǎn)品設(shè)計的核心，其對設(shè)計人員約束最小，最能體現(xiàn)設(shè)計者的經(jīng)驗、智慧和創(chuàng)新能力，整個設(shè)計的創(chuàng)新性在概念設(shè)計階段得以體現(xiàn)[1]。概念設(shè)計因其困難和復雜性需要設(shè)計者在構(gòu)思新產(chǎn)品概念時需要更多的跨學科的知識結(jié)構(gòu)、更復雜的技術(shù)支撐和更完善的創(chuàng)新理論。科學效應是由于某種動因而產(chǎn)生的一種特定的科學現(xiàn)象，包括物理效應、化學效應、生物效應及幾何效應等，它們構(gòu)成了各學科領(lǐng)域的基礎(chǔ)科學知識。

科學效應庫是各學科效應的集合，是計算機輔助創(chuàng)新系統(tǒng)中的一個重要組成部分，如美國Invention Machine公司的Goldfire軟件[2]以及英國Oxford Creativity公司開發(fā)的Oxfordtriz輔助創(chuàng)新網(wǎng)站[3]，國內(nèi)如文獻[4]和文獻[5]提出的科學效應庫系統(tǒng)構(gòu)建等。上述效應庫存在的問題是：效應庫中功能與效應的對應關(guān)系缺失，即功能與效應之間沒有明確的映射關(guān)系，將效應依據(jù)功能歸納分類完全是依靠研究人員自己的主觀思維來劃分，所以劃分的準確度和完整度完全是取決于研究人員自身的知識儲備，這就會導致遺漏掉效應的部分功能，這些不常見或隱藏的功能正是該效應對于其他領(lǐng)域的功能應用，而這正是多學科知識融合創(chuàng)新的關(guān)鍵。本文通過分析效應在概念設(shè)計過程中的作用，研究了功能、效應和行為之間的關(guān)系，建立了功能與效應之間的映射關(guān)系，描述了科學效應庫的構(gòu)建方法和效應庫實例。

1 概念設(shè)計理論

1.1 概念設(shè)計過程建模

實現(xiàn)概念設(shè)計首先需要建立過程模型，以描述完成概念設(shè)計所需的工作步驟。功能-行為-結(jié)構(gòu)(Function-Behaviour-Structure，F(xiàn)BS)模型是由悉尼大學Gero提出的[6]。該模型描述的是功能與結(jié)構(gòu)必須通過行為才能建立聯(lián)系，將概念設(shè)計看作是從功能向行為再向結(jié)構(gòu)映射的過程，此模型更符合人類設(shè)計的思維習慣，有利于產(chǎn)品創(chuàng)新。其中功能即該產(chǎn)品所具有的特性，是設(shè)計要達到的目的，行為是對功能實現(xiàn)的客觀描述，也反應所期望的與功能對應的結(jié)構(gòu)所表現(xiàn)出的特性，結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)功能的物質(zhì)實體[7]。概念設(shè)計的主要任務是將產(chǎn)品的功能分解成基本的子功能，并由相應的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)各個子功能。而在FBS模型中行為則描述了完成功能所執(zhí)行的動作，表明“結(jié)構(gòu)如何實現(xiàn)功能”這一關(guān)系[8]。功能建模、行為建模和結(jié)構(gòu)建模是概念設(shè)計中的三個核心過程。如圖1所示，功能設(shè)計是從需求模型中提取抽象的功能進行分解，構(gòu)建功能元和功能結(jié)構(gòu)。行為設(shè)計是尋找實現(xiàn)該功能的科學原理和方法，構(gòu)思實現(xiàn)該功能的行為，即F-B映射。結(jié)構(gòu)設(shè)計是尋找能產(chǎn)生該行為的特定結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，能實現(xiàn)該功能的預期結(jié)構(gòu)，即B-S映射。各設(shè)計層將產(chǎn)生各自的集合，其共同組成該概念設(shè)計的方案集。

圖1 基于FBS的概念設(shè)計過程

1.2 科學效應與FBS模型

在FBS模型的設(shè)計過程中，行為設(shè)計是連接功能與結(jié)構(gòu)的橋梁，是整個設(shè)計過程最核心的部分，它是完成原理創(chuàng)新的關(guān)鍵過程，行為設(shè)計對創(chuàng)新設(shè)計尤為重要，即F-B映射尤為關(guān)鍵。在基于FBS的設(shè)計中，功能表達“做什么”，是行為的目的；行為表達“如何去做”，是功能的實現(xiàn)原因[9]。即行為可理解為實現(xiàn)功能的原理。科學效應是由于某種動因而產(chǎn)生的一種特定的科學現(xiàn)象，包括物理效應、化學效應、生物效應及幾何效應等，它們由各種科學原理組成，是構(gòu)成各種領(lǐng)域知識的基本科學知識。因此，行為通過科學效應得以體現(xiàn)。

依據(jù)行為與科學效應的聯(lián)系，在FBS模型的基礎(chǔ)上，F(xiàn)E(Function-Effect)模型或FEB(Function-Effect-Behavior)模型能通過效應完成F-B映射過程[10]。圖2為FEB模型示意圖。首先從需求模型中抽象出功能，并進行分解，得到適用于設(shè)計中功能的通用化描述的功能基，構(gòu)建功能基結(jié)構(gòu)，并尋求相應的科學效應，從而提取出行為，實現(xiàn)從功能到行為的映射過程。在該模型中，實現(xiàn)功能設(shè)計和行為設(shè)計能為產(chǎn)品功能尋求更新穎的行為原理解。

圖2 FEB模型

2 效應庫的構(gòu)建原理

2.1 FE映射模型

在上述FEB模型的設(shè)計過程中，功能基到效應的映射過程缺乏實質(zhì)的系統(tǒng)映射模型。為明確效應與功能之間的映射關(guān)系，提出了一個功能-特征-效應(Function-Feature-Effect，F(xiàn)EE)映射模型。圖3為功能-效應映射模型的示意圖，該映射模型的核心思想為通過提取效應和功能的通用特征來建立兩者之間的映射關(guān)系。效應通過效應分析模型和效應特征表提取出該效應的通用特征集，而功能特征表則是對功能(功能基)的通用特征提取集合，效應特征集和功能特征表則通過通用特征實現(xiàn)對應關(guān)系，從而實現(xiàn)功能與效應的映射關(guān)聯(lián)。該模型的提出完善了FE模型，效應與功能的關(guān)聯(lián)有了系統(tǒng)的依據(jù)，基于FFE映射模型建立的科學效應庫能為設(shè)計者在概念設(shè)計階段提供更多更全面的原理解。

圖3 FFE映射模型

2.2 效應分析模型

科學效應由某種動因或原因所產(chǎn)生的一種特定的科學現(xiàn)象，是對已存在定律的總結(jié)，也就是按照定律規(guī)定的原理將輸入量轉(zhuǎn)化為輸出量，實現(xiàn)相應的功能。效應實現(xiàn)過程的實質(zhì)就是物質(zhì)、能量和信號的轉(zhuǎn)化，即從輸入流轉(zhuǎn)化到輸出流的過程。效應分析模型就是基于此對效應的輸入量和輸出量作出系統(tǒng)的分析。圖4是效應分析模型示意圖。輸入量和輸出量的對象為物質(zhì)、能量和信號，這里將能量和信號合并為場，即輸入/輸出量由物質(zhì)和場來表示。通過該模型，效應可表述為輸入物質(zhì)在輸入場的作用下產(chǎn)生輸出物質(zhì)和輸出場。對于輸出，輸出物質(zhì)和輸出場可細分為兩種輸出形式，即新物質(zhì)/場和原物質(zhì)/場的變化。在應用該模型時，輸出物質(zhì)或輸出場至少有一個。效應分析模型可作為所有效應的一種通用分析模式，通過該模型可提取出效應的輸入輸出特征。

圖4 效應分析模型

2.3 效應特征表

效應特征表是根據(jù)效應分析模型中的輸入/輸出量對象而建立的，是對物質(zhì)和場的類別和屬性的總結(jié)歸納，即建立一個針對物質(zhì)和場的通用特征表。物質(zhì)的特征表包括了物質(zhì)的類別和屬性的通用特征歸納，其中類別的劃分在物質(zhì)三相態(tài)的基礎(chǔ)上加入了等離子體/微粒和特殊物質(zhì)。圖5為物質(zhì)屬性的部分特征歸納表，物質(zhì)屬性包括有運動、幾何、物理、化學等屬性項，每一項中包含不同數(shù)量的屬性特征。場的特征表主要是對場類別的歸納總結(jié)，有包括機械場、電磁場、振動場、熱場、放射場和嗅覺場等類別，場的變化主要為場的增強/疊加和削弱/消耗。通過效應分析模型和效應特征表可將效應的特征進行提取，如對壓電效應進行分析可得：輸入場—機械場；輸入物質(zhì)—壓電材料；輸出場(新場)—電場，輸出場(變化)—機械場消耗；輸出物質(zhì)—無。據(jù)此壓電效應可提取出兩個效應特征，即產(chǎn)生電場和消耗機械場。

圖5 效應物質(zhì)屬性的部分特征表

2.4 功能特征表

功能的概念貫穿了整個概念設(shè)計過程，整個概念設(shè)計過程就是圍繞如何滿足需求的產(chǎn)品功能而進行的設(shè)計過程，所以功能的表示是支持概念設(shè)計的關(guān)鍵因素。德國學者Paul和Beitz將功能定義成能量、物質(zhì)和信號的輸入輸出關(guān)系，用能量流、物質(zhì)流和信息流的轉(zhuǎn)換來表達功能，此定義很大程度上揭示了功能的本質(zhì)。然而此種表達方式對設(shè)計人員是非常不友好，通用使用動詞+名詞的方式來表示功能，如產(chǎn)生電場、移動固體等，此種表示方式直觀易懂。

為方便設(shè)計人員，功能的表示采用動詞+名詞的方式，其中名詞包括物質(zhì)、能量和信號，將其描述標準通用化，形成功能基(表達上層所有功能的最小功能集合)。這方面有學者做了許多研究，如Hirtz等人對功能分類進行了總結(jié)、區(qū)分和對比，建立起一個標準功能基詞庫[11]。在前人的基礎(chǔ)上，作者進一步進行了歸納和分類。目前有功能動詞：穩(wěn)定、產(chǎn)生、分離、改變、冷卻、加熱、檢測、混合、吸收、移動、傳輸?shù)龋晃镔|(zhì)名詞：固體、氣體、液體、等離子體/微粒、結(jié)構(gòu)物質(zhì)、分子/亞分子等；能量和信號名詞：力、熱、電、磁、核能、電磁波、溫度、顏色、參數(shù)等。

功能特征表是基于功能的輸入輸出流轉(zhuǎn)換關(guān)系來建立的，將其中的能量流和信息流合并為場，這樣就與效應的分析模型得出的特征一致，如此功能特征表與效應特征集就可根據(jù)相同特征產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。功能特征表將所有功能基按照輸入輸出流的形式進行轉(zhuǎn)換表述，即按照輸入物質(zhì)、輸入場、輸出物質(zhì)和輸出場的形式進行分析歸納，每個功能基至少有一個輸入或輸出流。表1為部分功能特征表。例如檢測熱場這一功能基，其按照輸入輸出流可提取出典型特征為：輸入場—熱場，具體該特征的科學效應有：熱脹冷縮、熱敏效應、熱電效應、熱光效應和熱釋電效應等，即上述效應具備檢測熱場的這一功能，即使目前某些效應還沒有應用于檢測溫度，但從原理上來說其具備這一潛在功能。

表1 部分功能特征表

3 基于FE映射模型的科學效應庫實現(xiàn)

3.1 科學效應的表示

科學效應庫旨在為設(shè)計者提供完善的科學原理知識，在概念設(shè)計階段為設(shè)計者提供創(chuàng)新性原理知識的幫助，所以效應知識的表達必須適應人閱讀理解知識的習慣。效應知識按照知識的表征方式屬于陳述性知識，是個人能用語言進行直接陳述的知識，這類知識主要用來回答事物“是什么”“怎么樣”的問題。結(jié)合人理解該類知識的特點，效應的表示采用文字、符號、圖片或動畫等方式進行表征。效應的表示可劃分為綜合內(nèi)容描述、邏輯內(nèi)容描述、應用內(nèi)容描述以及多媒體內(nèi)容輔助，結(jié)合上述效應表示的結(jié)構(gòu)，效應通過以下幾個主要參數(shù)進行詳細表述：

效應描述：對效應的內(nèi)容進行概述，并對其原理進行簡要說明；

應用條件：此項列舉該效應應用的前提條件，如特殊材料、高溫高壓等等；

應用公式：某些效應具備完善的物理化學理論，即有其相應的物理公式或化學式；

參考數(shù)據(jù)：列舉某些物質(zhì)材料在此效應上的相關(guān)數(shù)據(jù)作為應用參考；

應用特點：闡述該效應的應用范圍以及其能實現(xiàn)的功能作用和特點優(yōu)勢；

參考信息：列舉上述各個方面的信息來源，包括論文和書籍等；

相關(guān)信息：概述此效應的研究發(fā)展和應用新進展，以及應用該效應的某些專利。

3.2 科學效應的分類

科學效應庫涵蓋了不同學科的原理知識，其分布是離散的。而效應庫的目的是為了方便設(shè)計者查詢，具體地說是方便設(shè)計者根據(jù)設(shè)計需求的功能來查詢對應的效應原理，所以效應通過其可實現(xiàn)的功能基不同進行分類，可實現(xiàn)同一功能基的不同學科的效應知識集合，此種方式有利于設(shè)計者打破自身專業(yè)知識的局限和思維定勢，使多學科知識融合創(chuàng)新成為可能。如此各領(lǐng)域的效應知識就系統(tǒng)地整合到了一起，科學效應庫的構(gòu)建實質(zhì)就是對科學效應的合理歸類。

圖6 功能效應樹示意圖

由上可知，效應的功能分類是效應庫構(gòu)建的關(guān)鍵，而FFE映射模型為效應分類提供了系統(tǒng)的分類方法。概念設(shè)計中從功能到行為的求解過程：先進行功能分解和功能建模，再通過功能基尋求相應的效應，從中提取行為，完成行為建模。在上述過程中，頂層功能是從需求中提取的，是抽象的，一般的，通常以功能動詞表示，如產(chǎn)生、移動。然后與流名詞(物質(zhì)、能量、信號)結(jié)合逐級向下分解，最后得到功能基組。基于此，效應庫中的功能按樹狀結(jié)構(gòu)排列，根節(jié)點為功能動詞，最終子節(jié)點是功能基，樹葉部分是功能基對應的科學效應。圖6為功能效應樹的示意圖。

3.3 科學效應庫的實現(xiàn)

目前作者已初步完成了科學效應庫系統(tǒng)的構(gòu)建，它是一個支持創(chuàng)新設(shè)計的Web平臺中的一個模塊。該系統(tǒng)是采用瀏覽器/服務器(Browser/Server，B/S)模式的三層體系結(jié)構(gòu)，基于C#+SQLServer 2012實現(xiàn)的。整個效應庫的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為用戶界面層、邏輯功能層和數(shù)據(jù)管理層。用戶界面層是效應庫提供給設(shè)計者的界面窗口，使其可以方便地使用效應庫；邏輯功能層主要實現(xiàn)效應庫的各種功能，包括效應的顯示、查詢和維護等功能；數(shù)據(jù)管理層主要通過C#數(shù)據(jù)庫連接接口完成對SQLServer數(shù)據(jù)庫的操作。

效應的顯示界面是效應庫系統(tǒng)構(gòu)建的關(guān)鍵點，其顯示方式采用網(wǎng)頁html格式，并設(shè)置所有效應顯示的通用樣式模板，不同效應顯示時獲取數(shù)據(jù)庫中該效應的不同參數(shù)信息填充到樣式模板中即可。效應顯示主要包括：對效應的概要描述，效應的應用條件及應用公式，效應相關(guān)的參考數(shù)據(jù)，效應的應用特點，參考信息源以及效應的相關(guān)信息等。主要以文字為主、圖片為輔來對效應進行綜合表述。圖7為效應的網(wǎng)頁展示示例。

圖7 效應網(wǎng)頁展示圖

3.4 用科學效應庫支持創(chuàng)新設(shè)計

科學效應庫系統(tǒng)在整個Web平臺中主要通過以下兩種方式來支持創(chuàng)新設(shè)計：

1)提供效應知識：效應庫是一種知識庫，作為創(chuàng)新設(shè)計資源為設(shè)計者直接提供各領(lǐng)域的效應知識，為技術(shù)創(chuàng)新提供豐富的原理知識。設(shè)計者可通過直接瀏覽或自動搜索等方式在效應庫中獲取所需的效應知識。

圖8 效應庫在產(chǎn)品設(shè)計中的 應用過程

2)支持概念設(shè)計：創(chuàng)新平臺中有一基于FBS模型的新產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計模塊，效應庫在該模塊中提供功能與效應的映射關(guān)系，即根據(jù)功能分解的功能基自動生成對應的效應原理解矩陣。圖8為效應庫在新產(chǎn)品概念設(shè)計中的一般過程。在新產(chǎn)品開發(fā)過程中，設(shè)計者需首先確定產(chǎn)品需求，通過需求抽象出功能結(jié)構(gòu)，并將其分解為功能基集合，按照功能基從效應庫中查找到對應的效應原理集合，并對其進行原理驗證，若該效應原理解不滿足功能需求則需重新對需求進行分析或重新進行功能分解，若滿足條件則生成功能原理解，從而實現(xiàn)了功能到行為的映射過程，最后可結(jié)合工程實例完成行為到結(jié)構(gòu)的映射過程，實現(xiàn)整個FBS設(shè)計過程。

設(shè)計人員在產(chǎn)品開發(fā)的概念設(shè)計過程中，由于自身領(lǐng)域和知識的局限，不知道或只知道某一兩種方法和原理來實現(xiàn)所需功能，但憑借少量的方法和原理不能滿足產(chǎn)品設(shè)計的所有需求或不能達到創(chuàng)新設(shè)計的目的。解決這一設(shè)計困境的關(guān)鍵在于利用跨學科跨領(lǐng)域的知識交叉和綜合，來解決某一特定領(lǐng)域的設(shè)計問題。以多學科知識融合為支撐進行概念設(shè)計是實現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計的突破點。科學效應庫提供了以功能分類的多領(lǐng)域?qū)W科效應知識集合，可為設(shè)計者提供盡可能多的解決方法，是實現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計的有力支撐。例如，傳統(tǒng)的制冷器(冰箱、空調(diào)等)的制冷原理是采用制冷劑的蒸發(fā)和冷凝與外界進行換熱實現(xiàn)溫度下降的。若采用其他科學效應原理對制冷原理進行創(chuàng)新，可在科學效應庫中根據(jù)“冷卻物質(zhì)”這一功能進行檢索，得到了“磁熱效應，熱聲效應，熱電效應，反斯托克斯效應”等，這些效應來自不同領(lǐng)域?qū)W科，且都與熱能相關(guān)，可實現(xiàn)“冷卻物質(zhì)”這一功能。對這些效應進行分析提取行為，則可得到磁制冷、熱聲制冷、熱電制冷、激光制冷等行為原理解，為制冷器的設(shè)計提供了原理創(chuàng)新的新方案。

4 結(jié)語

本文以概念設(shè)計的FBS理論為基礎(chǔ)，詳細論述了功能、效應與行為之間的關(guān)系，提出了一個功能與效應的映射模型，并基于此模型建立了一個初步的科學效應庫系統(tǒng)。該效應庫支持多學科知識交叉融合，可幫助設(shè)計者打破自身領(lǐng)域和知識的局限，效應庫中大量的效應支持設(shè)計者于概念設(shè)計過程中提出高質(zhì)量的創(chuàng)新設(shè)計方案。下一步的工作為完善FFE映射模型，并通過知識圖譜等技術(shù)挖掘出功能與效應的聯(lián)系。