意象驅動基于功能-行為-結構的產品造型設計研究

楊延璞，田宏亮，焦生杰，田 星

（1.煤炭科學研究總院西安研究院，陜西 西安 710119；2.長安大學工程機械學院，陜西 西安 710064）

1 引言

隨著經濟全球化的發展和市場競爭的日益激烈，以用戶為中心的設計已成為企業的重要產品開發戰略之一。將用戶的生理需求和心理需求納入產品開發過程，不僅有利于強化產品特色，實現市場細分的精準聚焦，而且在提升產品功能質量的同時，通過創造有吸引力的產品外觀引發用戶做出購買決策。在此背景下，以感性意象為目標的產品設計，逐漸將產品的物理約束、人因尺度、外觀美學參數等表征為用戶的情感反應[1]，通過有效整合產品設計要素與用戶情感認知，建立兩者這件的精準鏈接，從而提升消費者對產品的情感體驗與認同感。

目前對于感性意象的研究主要集中于實驗分析、用戶感性意象挖掘、基于意象的產品造型設計、感性意象評價等方面。在實驗研究方面，文獻[2]基于眼部追蹤技術研究設計師在認知草圖時的心理意象；文獻[3]將眼動和腦電聯合分析汽車產品的用戶體驗。

在用戶感性意象挖掘方面，文獻[4]利用數字化設計結構矩陣和遺傳算法實現多維感性需求的降維與聚焦；文獻[5]基于自然語言處理技術和產品的網絡評論數據，建立產品特征和用戶感知之間的關聯模型。在基于意象的產品造型設計研究方面，文獻[6]將多目標遺傳算法中的后驗式方法（Posterior Preference Articulation）引入產品感性設計系統，以面向用戶多維感性需求進行產品形態設計；文獻[7]將深度學習與感性工學相結合，基于卷積神經網絡實現產品造型與圖片的融合與方案生成。在感性意象評價方面，文獻[8]構建了用戶感性評價共識度模型，利用粒子群算法對評價意見進行優化；文獻[9]基于感性數據的語言解釋和模糊集的概率語義構建面向消費者的感性評價模型。以上研究為產品意象造型設計提供了重要指導與參考，然而產品造型設計需兼顧功能模塊布局與用戶意象感知，將兩者有效結合才能更好滿足用戶需求。

為此，這里以功能-行為-結構模型（Function-Behavior-Structure，FBS）對產品的功能和結構模塊進行分析，構建了基于FBS 的產品意象造型遞進式映射策略，利用逼近理想解排序法（Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution，TOPSIS）實現對產品造型模塊的選擇。最后，以煤礦鉆機的意象造型設計為例驗證了方法的有效性。

2 功能-行為-結構模型

功能-行為-結構（Function-Behavior-Structure，FBS）模型是功能域、行為域、結構域三者之間相互映射的設計過程，通過對功能、行為、結構之間關系的描述可以激發設計者的創造性思維[10]。在產品設計中，功能是行為的目的，行為是功能的實現原因，結構是行為的載體[11]。通過FBS的迭代過程可以實現產品功能的層次展開，通過功能分解推理得到實現行為，借助行為推理求解得到產品的概念結構，直到完成產品的整個設計過程。在求解過程中，一個功能可由多種行為實現，一種行為可由多種概念實現，從而形成多種求解方案[12]。

2.1 功能到行為的映射

產品功能到行為的映射可表示為：Rfb：F→B，其中，Rfb是多對多的關系。一個功能f可以通過多種行為b實現，一種行為b也可產生多個功能f，且任何行為都可能產生一定的功能。?f∈F，?b∈B滿足＜f，b＞?Rfb，即存在某一功能沒有行為與之相對應。

2.2 行為到結構的映射

產品行為到結構的映射可表示為：Rbs:B→S，其中，Rbs是多對多的關系。一種行為b可以有多個結構載體，一個結構s也可有多種行為f，且任何結構都有一定的行為。?b∈B，?s∈S滿足＜b,s ＞?Rbs，即存在某一理想行為無法建立與之相對應的結構載體。進一步地，功能到結構的映射關系可用功能到行為、行為到結構的復合映射關系表示：Rfs=Rfb°Rbs。

從以上映射關系易知，功能到行為轉化、行為到結構映射的過程是多粒度分解的過程，功能、行為、結構三者之間存在多元映射關系，在外界約束下進行推理求解得到功能模塊、和結構模塊，同時結合產品造型要素實現功能到產品造型的轉化。基于FBS的產品造型設計流程，如圖1所示。

圖1 基于FBS的產品造型設計流程Fig.1 Product Styling Design Process Based on FBS

3 基于FBS的產品意象造型映射策略

通過對產品的FBS分解與推理獲取的功能模塊和結構模塊是產品造型設計的基礎，鑒于這兩者與產品造型模塊間多對多的映射關系，為實現產品的意象造型設計，采用遞進式映射策略，如圖2所示。基本過程描述如下。

圖2 基于FBS的產品意象造型遞進式映射策略Fig.2 Progressive Mapping Strategy of Product Image Styling Based on FBS

（1）尋找與產品的各功能元對應的行為。如果找到則輸出這些行為，轉（2）；否則，基于功能元描述進行功能相似度推理求解。

（2）對（1）獲得的行為尋找與之對應的結構。如果找到則輸出這些結構，轉（3）；否則，基于行為描述進行行為相似度推理求解。

（3）由設計師分別針對功能元和與之對應的結構展開造型模塊設計。

（4）根據功能相似度尋找與功能模塊對應的造型模塊，相似度超過設定功能閾值則輸出該造型模塊；否則，轉（3）針對功能模塊進行造型設計。

（5）根據結構相似度尋找與結構模塊對應的造型模塊，結構相似度超過設定結構閾值則輸出該造型模塊；否則，轉（3）針對結構模塊進行造型設計。

（6）對產品造型模塊利用意象尺度法評價，確定各模塊對產品意象的貢獻度。

（7）產品造型模塊的組合、細化與方案評價。

4 產品造型模塊評價

從圖2易知，產品造型模塊的選擇通過功能相似度、結構相似度與意象尺度進行選擇，采用專家打分方式，基于逼近理想解排序法（Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution，TOPSIS）[13]對造型模塊進行排序，選擇合適造型模塊進行方案設計。

TOPSIS法的基本思想是將各待評價產品造型模塊中的功能相似度、結構相似度與意象尺度評分最大值拿出來構成虛擬最佳方案，即正理想解z+；將功能相似度、結構相似度與意象尺度評分最小值拿出來構成虛擬最劣方案，即負理想解z-。設專家集為E={e1，e2，…，em}，待評價的產品造型模塊集為V={v1，v2，…，vn}，專家根據功能和結構相似度及意象尺度對造型模塊vi的評分為：

設W={w1,w2,w3}為由造型模塊vi的功能相似度、結構相似度與意象尺度權重構成的權重向量，通過AHP[14]方法計算獲得。計算產品造型模塊vi與正、負理想解之間的距離di+、di-，即可對產品造型模塊進行排序。和采用歐式距離計算：

排序結果Ci可計算如下：

上式中同時考慮正、負理想解的目的是避免出現兩個產品造型模塊與正理想解距離相同的情況而導致無法區分，從而實現對產品造型模塊的排序。

5 煤礦鉆機造型設計應用

5.1 煤礦鉆機FBS分解

煤礦鉆機在造型上主要分為分體式煤礦鉆機和一體式煤礦鉆機，在此將對一體式煤礦鉆機進行FBS分解。煤礦鉆機是煤礦開采前用來深度鉆孔的鉆探機械，通過對鉆桿的位置調節、旋轉與平推實現鉆探過程。由于功能較多，利用黑箱法對一體式煤礦鉆機進行功能分解，得出其主要由車輛行駛、車輛穩固、鉆孔、鉆孔設備方向調節等功能模塊組成，根據以上功能模塊對煤礦鉆機進行FBS分解，如圖3所示。

圖3 煤礦鉆機FBS分解Fig.3 FBS Decomposition of Coal Mine Drilling Machine

5.2 FBS造型模塊映射

比較以上四種功能模塊的分解結構，根據功能相似度與現有功能布局重新劃分模塊，剔除無需造型設計的結構，同時將上述四個模塊的驅動功能和控制功能整合。煤礦鉆機整體驅動主要來源于柴油發電機和液壓油泵，兩者均可進行罩殼設計；控制功能可分為車輛穩固模塊和行駛模塊，為便于操作與安全將其設置在駕駛艙內；鉆孔模塊和方向調節模塊的控制功能可整合為同一個帶有顯示屏的控制臺，即將控制臺3、控制臺4整合，將顯示屏1、2 整合，并將整合后的兩個部分合并為帶有顯示器的控制臺。據此對建立FBS造型模塊映射，如表1所示。

表1 FBS造型模塊映射Tab.1 FBS Styling Modules Mapping

5.3 意象造型評價

經調研確定目標產品的意象定位是科技的和現代的，組織煤礦鉆機設計領域專家3 名對造型模塊用十分制進行評價，以駕駛艙為例，其功能相似度、結構相似度與意象尺度評分，如表2所示。

表2 駕駛艙評分Tab.2 Score Rating of Control Cabin

兩個意象尺度取其均值，功能、結構與造型意象權重按照AHP方法計算為0.3、0.4、0.3，根據式（1）～式（5）得駕駛艙各造型模塊距正理想解的距離分別為：0.806、0.224、0.599，距負理想解的距離分別為：0.474、0.962、0.719。則C1=0.37、C2=0.811、C3=0.546，駕駛艙排序結果為：方案2?方案3?方案1。同理可得，罩殼的排序結果為方案2?方案1?方案3，車體的排序結果為方案1?方案3?方案2，機械臂的排序結果為方案2?方案1?方案3。據此可得煤礦鉆機總體造型方案及細化方案，如圖4所示。同時，再由3名專家對總體方案進行評價，基本滿足功能、結構與意象要求，可在該造型方案基礎上進行詳細的內部功能與結構設計。

圖4 煤礦鉆機選定總體方案Fig.4 Selected Solution of Coal Mine Drilling Machine

6 結語

以產品意象造型設計為研究對象，基于功能-行為-結構模型對產品進行FBS分解，建立了基于FBS的產品意象造型遞進式映射策略，利用TOPSIS法對FBS映射的產品造型模塊進行評價和優選。以煤礦鉆機的造型設計為例，驗證了方法有助于在產品意象造型設計前期考慮產品的功能和結構屬性，建立功能、結構與產品造型模塊的有效連接，提升最終設計方案的有效性。