面向概念設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新方法與創新設計重點實驗室，四川 成都 610065)

0 引言

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

科學效應庫是各學科效應的集合，是計算機輔助創新系統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公司開發的Oxfordtriz輔助創新網站[3]，國內如文獻[4]和文獻[5]提出的科學效應庫系統構建等。上述效應庫存在的問題是：效應庫中功能與效應的對應關系缺失，即功能與效應之間沒有明確的映射關系，將效應依據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域的功能應用，而這正是多學科知識融合創新的關鍵。本文通過分析效應在概念設計過程中的作用，研究了功能、效應和行為之間的關系，建立了功能與效應之間的映射關系，描述了科學效應庫的構建方法和效應庫實例。

1 概念設計理論

1.1 概念設計過程建模

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

圖1 基于FBS的概念設計過程

1.2 科學效應與FBS模型

在FBS模型的設計過程中，行為設計是連接功能與結構的橋梁，是整個設計過程最核心的部分，它是完成原理創新的關鍵過程，行為設計對創新設計尤為重要，即F-B映射尤為關鍵。在基于FBS的設計中，功能表達“做什么”，是行為的目的；行為表達“如何去做”，是功能的實現原因[9]。即行為可理解為實現功能的原理。科學效應是由于某種動因而產生的一種特定的科學現象，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，是構成各種領域知識的基本科學知識。因此，行為通過科學效應得以體現。

依據行為與科學效應的聯系，在FBS模型的基礎上，FE(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，得到適用于設計中功能的通用化描述的功能基，構建功能基結構，并尋求相應的科學效應，從而提取出行為，實現從功能到行為的映射過程。在該模型中，實現功能設計和行為設計能為產品功能尋求更新穎的行為原理解。

圖2 FEB模型

2 效應庫的構建原理

2.1 FE映射模型

在上述FEB模型的設計過程中，功能基到效應的映射過程缺乏實質的系統映射模型。為明確效應與功能之間的映射關系，提出了一個功能-特征-效應(Function-Feature-Effect，FEE)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對應關系，從而實現功能與效應的映射關聯。該模型的提出完善了FE模型，效應與功能的關聯有了系統的依據，基于FFE映射模型建立的科學效應庫能為設計者在概念設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生的一種特定的科學現象，是對已存在定律的總結，也就是按照定律規定的原理將輸入量轉化為輸出量，實現相應的功能。效應實現過程的實質就是物質、能量和信號的轉化，即從輸入流轉化到輸出流的過程。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、能量和信號，這里將能量和信號合并為場，即輸入/輸出量由物質和場來表示。通過該模型，效應可表述為輸入物質在輸入場的作用下產生輸出物質和輸出場。對于輸出，輸出物質和輸出場可細分為兩種輸出形式，即新物質/場和原物質/場的變化。在應用該模型時，輸出物質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

效應特征表是根據效應分析模型中的輸入/輸出量對象而建立的，是對物質和場的類別和屬性的總結歸納，即建立一個針對物質和場的通用特征表。物質的特征表包括了物質的類別和屬性的通用特征歸納，其中類別的劃分在物質三相態的基礎上加入了等離子體/微粒和特殊物質。圖5為物質屬性的部分特征歸納表，物質屬性包括有運動、幾何、物理、化學等屬性項，每一項中包含不同數量的屬性特征。場的特征表主要是對場類別的歸納總結，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—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—無。據此壓電效應可提取出兩個效應特征，即產生電場和消耗機械場。

圖5 效應物質屬性的部分特征表

2.4 功能特征表

功能的概念貫穿了整個概念設計過程，整個概念設計過程就是圍繞如何滿足需求的產品功能而進行的設計過程，所以功能的表示是支持概念設計的關鍵因素。德國學者Paul和Beitz將功能定義成能量、物質和信號的輸入輸出關系，用能量流、物質流和信息流的轉換來表達功能，此定義很大程度上揭示了功能的本質。然而此種表達方式對設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，如產生電場、移動固體等，此種表示方式直觀易懂。

為方便設計人員，功能的表示采用動詞+名詞的方式，其中名詞包括物質、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、區分和對比，建立起一個標準功能基詞庫[11]。在前人的基礎上，作者進一步進行了歸納和分類。目前有功能動詞：穩定、產生、分離、改變、冷卻、加熱、檢測、混合、吸收、移動、傳輸等；物質名詞：固體、氣體、液體、等離子體/微粒、結構物質、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、參數等。

功能特征表是基于功能的輸入輸出流轉換關系來建立的，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相同特征產生關聯。功能特征表將所有功能基按照輸入輸出流的形式進行轉換表述，即按照輸入物質、輸入場、輸出物質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

3.1 科學效應的表示

科學效應庫旨在為設計者提供完善的科學原理知識，在概念設計階段為設計者提供創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容描述、邏輯內容描述、應用內容描述以及多媒體內容輔助，結合上述效應表示的結構，效應通過以下幾個主要參數進行詳細表述：

效應描述：對效應的內容進行概述，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；

參考數據：列舉某些物質材料在此效應上的相關數據作為應用參考；

應用特點：闡述該效應的應用范圍以及其能實現的功能作用和特點優勢；

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；

相關信息：概述此效應的研究發展和應用新進展，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計者查詢，具體地說是方便設計者根據設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的功能基不同進行分類，可實現同一功能基的不同學科的效應知識集合，此種方式有利于設計者打破自身專業知識的局限和思維定勢，使多學科知識融合創新成為可能。如此各領域的效應知識就系統地整合到了一起，科學效應庫的構建實質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建的關鍵，而FFE映射模型為效應分類提供了系統的分類方法。概念設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，如產生、移動。然后與流名詞(物質、能量、信號)結合逐級向下分解，最后得到功能基組。基于此，效應庫中的功能按樹狀結構排列，根節點為功能動詞，最終子節點是功能基，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

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

效應的顯示界面是效應庫系統構建的關鍵點，其顯示方式采用網頁html格式，并設置所有效應顯示的通用樣式模板，不同效應顯示時獲取數據庫中該效應的不同參數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，效應相關的參考數據，效應的應用特點，參考信息源以及效應的相關信息等。主要以文字為主、圖片為輔來對效應進行綜合表述。圖7為效應的網頁展示示例。

圖7 效應網頁展示圖

3.4 用科學效應庫支持創新設計

科學效應庫系統在整個Web平臺中主要通過以下兩種方式來支持創新設計：

1)提供效應知識：效應庫是一種知識庫，作為創新設計資源為設計者直接提供各領域的效應知識，為技術創新提供豐富的原理知識。設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 效應庫在產品設計中的 應用過程

2)支持概念設計：創新平臺中有一基于FBS模型的新產品開發設計模塊，效應庫在該模塊中提供功能與效應的映射關系，即根據功能分解的功能基自動生成對應的效應原理解矩陣。圖8為效應庫在新產品概念設計中的一般過程。在新產品開發過程中，設計者需首先確定產品需求，通過需求抽象出功能結構，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，從而實現了功能到行為的映射過程，最后可結合工程實例完成行為到結構的映射過程，實現整個FBS設計過程。

設計人員在產品開發的概念設計過程中，由于自身領域和知識的局限，不知道或只知道某一兩種方法和原理來實現所需功能，但憑借少量的方法和原理不能滿足產品設計的所有需求或不能達到創新設計的目的。解決這一設計困境的關鍵在于利用跨學科跨領域的知識交叉和綜合，來解決某一特定領域的設計問題。以多學科知識融合為支撐進行概念設計是實現創新設計的突破點。科學效應庫提供了以功能分類的多領域學科效應知識集合，可為設計者提供盡可能多的解決方法，是實現創新設計的有力支撐。例如，傳統的制冷器(冰箱、空調等)的制冷原理是采用制冷劑的蒸發和冷凝與外界進行換熱實現溫度下降的。若采用其他科學效應原理對制冷原理進行創新，可在科學效應庫中根據“冷卻物質”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域學科，且都與熱能相關，可實現“冷卻物質”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，為制冷器的設計提供了原理創新的新方案。

4 結語

本文以概念設計的FBS理論為基礎，詳細論述了功能、效應與行為之間的關系，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。該效應庫支持多學科知識交叉融合，可幫助設計者打破自身領域和知識的局限，效應庫中大量的效應支持設計者于概念設計過程中提出高質量的創新設計方案。下一步的工作為完善FFE映射模型，并通過知識圖譜等技術挖掘出功能與效應的聯系。