功能樹相似推理過程的可視化方法研究

劉曉平， 陳 欣， 路 強， 唐益明

（合肥工業大學計算機與信息學院可視化與協同計算（VCC）研究室，安徽 合肥 230009）

功能樹相似推理過程的可視化方法研究

劉曉平， 陳 欣， 路 強， 唐益明

（合肥工業大學計算機與信息學院可視化與協同計算（VCC）研究室，安徽 合肥 230009）

相似推理能夠豐富功能樹包含的設計信息，提高獲得創新性設計解的可能性。該文對可視化技術如何更好地輔助相似推理展開了研究。首先，確定了功能樹與可視化模型之間的映射規則；其次，針對相似推理不同階段提供了相應的可視化人機交互手段，以實時跟蹤相似推理過程；最后，通過系統實例進一步驗證了相似推理的有效性以及可視化輔助下相似推理效果的提高。

計算機應用；概念設計；功能樹；相似推理；可視化

Path和Beitz指出概念設計的主要過程是：建立功能的結構，并將功能分解為子功能的組合，尋求恰當的設計原理分別去滿足這些子功能，然后選擇合適的滿足總功能的原理組合，最后進行評價選擇得到較好的設計概念[1]。可見，產品功能分析是概念設計過程的重要環節，其中功能分解又是功能分析的關鍵性問題。功能樹的建立過程恰好反映了功能的分解過程，因此，功能樹分析法成為概念設計階段常用的方法之一，功能樹也成為描述功能結構的最常用功能模型。然而，由于功能樹本身建立過程的局限以及概念設計的特殊性，功能樹分析法在應用于概念設計中時遇到了一系列問題：

· 由于功能需求依賴于具體的領域，功能樹的建立就需要依賴于專家的專業領域知識。鑒于領域專家個人知識水平的局限，因此，其建立的功能樹包含的設計信息易受限于固定領域，且易受個人慣性思維的影響。

· 面對復雜產品的設計，人類在有限時間內直接處理復雜知識的能力非常有限，僅憑借人的思維難以將問題考慮得非常全面。

· 由于產品概念設計階段所處理的信息通常是模糊、殘缺、多變的[2]，這使得功能樹的建立過程中需要反復調整以及修正，從而加大了建立功能樹的復雜度以及工作量，并且對領域專家統籌全局、兼顧細節提出了更高的要求。

以上問題勢必會導致領域專家建立的功能樹所蘊含的信息不完備，而外部相關的信息難以引入，丟失一部分的解空間，得不到滿意度高的創新設計方案。因此，需要計算機的輔助對功能樹進行擴展。

然而，功能樹中新功能的引入不能是盲目的，必須和功能樹已有信息具有相關性，基于人類感知聯想的相似推理提供了解決這一問題的思路，而相似理論[3]恰好可用作對產品功能的相關程度進行量化的工具。其中，文獻[4]將相似功能分為一般相似、因果相似以及對比相似3種，并提出了一種通過添加一般相似功能以擴展功能樹的方法。文獻[5]則主要針對對比相似進行研究，提出了一種對比相似度計算方法，并總結出對原始功能樹添加對比相似功能的方法。

另一方面，概念設計是一個極具發散性、極易產生創新的階段，因此需要調動一切手段給人以啟示，引發其靈感，從而激發人的創新思維。相似擴展的過程也需要提供一些輔助手段，幫助設計者理清思路、將抽象的推理過程形象化。因此，可視化技術[6-8]的引入可以將龐大的功能樹以及抽象的推理過程以直觀、清晰的方式加以展示，提供人機交互進一步輔助相似推理的進行，從而增加相似推理的合理性、有效性。

因此，本文基于文獻[4]和文獻[5]中描述的一般相似推理和對比相似推理方法，圍繞可視化技術如何更好地輔助相似推理的進行而展開，對功能樹的渲染顯示、人機交互手段的結合等問題進行了深入的研究，提出了可視化輔助下的相似推理過程框架。

1 可視化輔助下的推理過程

在功能建模階段，通過分析功能需求確定包含設計信息的功能樹，將其作為可視化的處理對象。經過可視化映射確定相應的可視化要素。在此基礎上將功能樹以圖形圖像的形式展現出來，即完成了可視化渲染顯示過程。基于此，設計者在可視化視圖的輔助下進行功能模型的相似推理。通過提供豐富的人機交互手段，使設計者能全局把握推理的全過程，控制推理的方向和目標，達到可視化輔助手段與設計者創新思維的有機結合。圖1展示了設計者參與下的可視化推理過程。

圖1 可視化推理過程

根據可視化映射規則，將功能模型映射成可視化模型需要考慮結構映射、元素映射和屬性映射等方面。考慮到功能樹的層次性、自頂向下的設計過程[9]以及功能含義的合理表達，本文采用二維與或非功能樹[10-11]實現功能樹的可視化。

1.1 功能樹的二維可視化

在二維空間中采用樹狀結構表現層次結構的設計信息，選擇二維的可視化元素與相應的可視化屬性配合，不僅要能夠準確地表現對象之間的層次關系，同時還需要充分利用顯示空間大小，確保節點之間不會因為重疊而造成視覺上的混淆。可視化元素與屬性的配置、樹狀結構的空間布局等成為功能樹二維可視化實現過程中的關鍵問題。

1.1.1 可視化元素與屬性配置

在二維空間中需要準確、清晰地表現樹狀結構中節點的自身信息和節點之間的關系信息。節點自身信息可以采用二維幾何圖元與文字配合的方式表示，節點關系信息通過直線連接和類型說明加以表示。除了上述可視化元素，還需考慮到與或非功能樹區別于一般樹狀結構的特殊性。對于與或非功能樹，與或非關系表明了節點之間以什么樣的邏輯形式進行組合或者分解，闡明了功能之間的語義關系，是表示設計信息不可或缺的一部分。與或非可以用其對應的常規符號表示，如表1總結了與或非功能樹的元素與屬性配置。

表1 與或非功能樹的元素與屬性配置

1.1.2 功能樹的布局策略

功能樹在二維空間如何布局是一個關鍵問題。為了保證可視化空間的合理利用，同時增加樹狀視圖的易讀性，規劃合理的布局策略是十分必要的。另一方面，由于人機交互的實現，增加、刪除節點等操作可能常常會改變現有視圖，給實時顯示增加了復雜度。因此，一個高效、完善的布局策略尤其顯得重要。

有效的布局策略需要保證根節點位于整個視圖的中心，每一個節點在空間位置上與其父節點、兄弟節點、子節點位置不發生沖突；父節點在縱向始終位于子節點的中心位置，節點與其父節點在縱向排布上設置固定間距以示相鄰層次間隔；兄弟節點位于同一層次，以一定間距橫向分布，并且保證經過各種交互操作后各節點間間距依然保持不變。依據這樣的排布策略，需要預設節點間橫向和縱向間距，在計算當前節點的位置時則必須先確定其所有孩子節點的位置。同時，在計算過程中需要不斷判斷節點之間是否產生遮擋，從而調整節點的橫向位置，以實現節點間無沖突、無重疊的排布結果。因此，這是一個由底層到頂層進行計算再自頂向下進行繪制的過程。

當新生成節點或者節點被刪除后，就需要對整個視圖重新布局。以新生成節點為例，首先要判斷新生成節點是否與已有節點發生重疊，如果發生重疊則需要重新調整這些節點位置。如果兩個區域存在重疊部分，則計算出重疊部分的長度，加上節點之間的預設距離，最終得到需要移動的距離。

1.2 人機交互的相似推理過程

對于可視化輔助下的相似推理過程，僅僅提供功能樹相應的可視化視圖是遠遠不夠的，還需要進一步提供人機交互接口，使設計者能夠對可視化視圖和推理步驟進行修改，把握設計的全過程。

功能樹的二維可視化提供了針對節點的交互操作，例如節點的添加、刪除、拖動，節點文字的更改，節點復制與粘貼等，給用戶編輯節點的自由度。同時為了有利于推理的進行，還提供如下設置與交互方式：

· 顏色和文字編輯：默認狀態對不同節點類型采用不同顏色加以標識區別，同時提供接口修改顏色屬性和節點信息字體，滿足設計者的個性化需求。

· 節點伸縮操作：借鑒Windows資源管理器中樹狀結構折疊與展開的表現方式，設計了節點伸縮操作接口，設計者可根據需要選擇顯示或隱藏節點/子樹，便于設計者集中注意力在感興趣的部分。

· 搜索功能：將搜索到的節點高亮顯示，并以此節點作為視圖的中心焦點，重新顯示可視化視圖，使設計者能方便、快捷地找到關注點。

· 雷達視圖：隨著設計信息的增多，設計者容易陷入局部細節而缺失對全局信息的把握。雷達視圖能夠展示設計信息的整體層次結構，以及局部關注點在整體結構中所處的位置，起到一定的導航作用。

· 縮放操作：對視圖進行可選程度的縮小和放大，可以方便用戶把握設計過程的局部細節或者全局，從而對設計信息獲得更充分的認識。

· 推理信息提示：在相似推理過程中，首先要在知識庫中搜索目標功能的相似功能，搜索到的相似功能可能為零，也可能為一到多個，因此，需要將所有的相似功能以可視化的形式展現出來，供設計者參考、決策。同時，在相似推理的整個過程中，都提供必要的信息提示。

· 自動布局：推理過程需要對功能樹進行反復調整和修正，那么對修改結果進行實時布局是十分必要的。

· 推理效果對照：為了考察推理之后的功能樹與推理之前有何變化，以及是否具有改進效果，那么提供推理前后的效果比照，可以讓設計者清楚看到推理所帶來的變化。

2 實例效果分析

在研究井下煤礦掘進巷道測量的問題中，發現煤礦巷道水平掘進的方向及空間控制十分困難，主要依靠簡單儀器輔助的人工控制，工作面的各種突發情況給操作人員帶來極大的生命威脅。利用基于本文的思想所形成的原型系統對此進行了概念設計，設計出了用于對煤礦巷道掘進方向的工作面進行自動測量的激光雙目立體測量器，該裝置及相應的技術已獲得國家發明專利(ZL 200810023146.2)和國家實用新型(ZL 200620072506.4)，相應的原型系統也已獲得了國家軟件著作權登記（登記號：2009SR05947）。下面選取原型系統中的部分功能進行展示說明。

雷達視圖功能可以將功能樹集中顯示在雷達視圖中，設計者可以對功能樹有一個全局的把握。拖動選擇區域，主窗口中的功能樹隨之移動，將被選擇區域突出顯示出來，方便設計者的查找，如圖2所示。

圖2 含雷達視圖的功能樹二維視圖

關于相似推理，以對“保證明亮度”節點進行一般相似擴展為例。首先，連接相關知識庫，查找到其相似功能為“保證空氣質量”，同時，根據相似擴展算法計算出相似度為 0.667，符合擴展的條件。然后，根據擴展算法進行相似擴展。最后，可以看出擴展前后的效果對比，增加了一些相關設計方案，如圖3、圖4所示。

圖3 一般相似擴展之前

圖4 一般相似擴展結果

可視化輔助下的相似推理過程，不僅保證了相似推理的正確性，而且在此基礎上提供了更加豐富多樣的輔助手段供設計者選擇，從而使相似推理過程更加清晰、直觀，使設計者對設計過程的認識更加深刻，控制更加自如。

表2對一般意義下的相似推理與可視化輔助下的相似推理進行了效果對比。

表2 相似推理效果對比

3 結 束 語

本文對可視化技術與相似推理的結合方式展開了研究，提出了可視化輔助下的相似推理過程框架，并對其中的關鍵問題進行了分析，在此基礎上實現了原型系統。相似推理在可視化視圖及人機交互接口的支持下不再是單純的機器行為，也不再只是設計者的獨立工作，將二者有機地結合起來，將帶來更新穎的設計方式和更直觀的設計感受。對推理方法本身的完善以及可視化輔助手段的加強將是今后的研究重點。

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[10] 劉曉平, 唐益明, 秦 晉, 等. 概念設計中基于擴展功能矩陣的功能求解方法[J]. 計算機輔助設計與圖形學學報, 2007, 19(12): 1610-1617.

[11] Tang Yiming, Liu Xiaoping. Task partition for function tree according to innovative functional reasoning[C]//Proceeding of CSCWD 2008, China, 2008: 189-195.

Research on the visualization of the function-tree’s similarity reasoning process

Liu Xiaoping, Chen Xin, Lu Qiang, Tang Yiming
( VCC Division, School of Computer & Information, Hefei University of Technology, Hefei Anhui 230009, China )

Similarity reasoning can be used to enrich the design information contained by function-tree and enhance the possibility of obtaining innovative design solutions. The way that visualization is used to aid the similarity reasoning is discussed in this paper. First, the rules of mapping function-tree to appropriate visual model are confirmed. Second, the human-machine interactive aid corresponding with the process of similarity reasoning is provided to obtain real time feedback. Lastly, an application example testifies the availability of similarity reasoning method and the improvement of reasoning results caused by introducing visualization into similarity reasoning.

computer application; conceptual design; function-tree; similarity reasoning; visualization

TP 391

A

2095-302X (2012)04-0001-06

2010-05-15

國家自然科學基金資助項目（60673028）；安徽省高等學校優秀青年人才基金資助項目（2010SQRL013ZD）

劉曉平（1964-），男，山東濟南人，教授，主要研究方向為建模、仿真、協同計算與概念設計。